Какие физ свойства вольфрама лежат в основе его применения

Вольфрам — самый тугоплавкий из металлов. Более высокую температуру плавления имеет только неметаллический элемент — углерод. При стандартных условиях химически стоек. Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит, известного ещё в XVI в. под названием лат. Spuma lupi («волчья пена») или нем. Wolf Rahm («волчьи сливки», «волчий крем»). Название было связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирает олово как волк овцу»).

СТРУКТУРА

Кристалл вольфрама имеет объемноцентрированную кубическую решетку. Кристаллы вольфрама на холоду отличаются малой пластичностью, поэтому в процессе прессования порошка они практически почти не изменяют своей основной формы и размеров и уплотнение порошка происходит главным образом путем относительного перемещения частиц.

В объемно-центрированной кубической ячейке вольфрама атомы располагаются по вершинам и в центре ячейки, т.е. на одну ячейку приходится два атома. ОЦК-структура не является плотнейшей упаковкой атомов. Коэффициент компактности равен 0,68. Пространственная группа вольфрама Im3m.

СВОЙСТВА

Вольфрам — блестящий светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя — время существования сиборгия очень мало). Температура плавления — 3695 K (3422 °C), кипит при 5828 K (5555 °C). Плотность чистого вольфрама составляет 19,25 г/см³. Обладает парамагнитными свойствами (магнитная восприимчивость 0,32·10−9). Твердость по Бринеллю 488 кг/мм², удельное электрическое сопротивление при 20 °C — 55·10−9 Ом·м, при 2700 °C — 904·10−9 Ом·м. Скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с. Является парамагнетиком.

Вольфрам является одним из наиболее тяжелых, твердых и самых тугоплавких металлов. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддается ковке и может быть вытянут в тонкую нить.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т (0,00013 % по содержанию в земной коре). Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных — 0,1, основных — 0,7, средних — 1,2, кислых — 1,9.

Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида WO3 из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре около 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200—1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисью вольфрама WO3 с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO4 * mMnWO4 — соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO4). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1—2 %.

Наиболее крупными запасами обладают Казахстан, Китай, Канада и США; известны также месторождения в Боливии, Португалии, России, Узбекистане и Южной Корее. Мировое производство вольфрама составляет 49—50 тысяч тонн в год, в том числе в Китае 41, России 3,5; Казахстане 0,7, Австрии 0,5. Основные экспортёры вольфрама: Китай, Южная Корея, Австрия. Главные импортёры: США, Япония, Германия, Великобритания.
Также есть месторождения вольфрама в Армении и других странах.

ПРИМЕНЕНИЕ

Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.
Благодаря высокой плотности вольфрам является основой тяжёлых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).

Вольфрам используют в качестве электродов для аргоно-дуговой сварки. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам — важный компонент лучших марок инструментальных сталей. Вольфрам применяется в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов. Сплав вольфрама и рения применяется в таких печах в качестве термопары.

Для механической обработки металлов и неметаллических конструкционных материалов в машиностроении (точение, фрезерование, строгание, долбление), бурения скважин, в горнодобывающей промышленности широко используются твёрдые сплавы и композитные материалы на основе карбида вольфрама (например, победит, состоящий из кристаллов WC в кобальтовой матрице; широко применяемые в России марки — ВК2, ВК4, ВК6, ВК8, ВК15, ВК25, Т5К10, Т15К6, Т30К4), а также смесей карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала (марки ТТ для особо тяжёлых условий обработки, например, долбление и строгание поковок из жаропрочных сталей и перфораторное ударно-поворотное бурение крепкого материала). Широко используется в качестве легирующего элемента (часто совместно с молибденом) в сталях и сплавах на основе железа. Высоколегированная сталь, относящаяся к классу «быстрорежущая», с маркировкой, начинающейся на букву Р, практически всегда содержит вольфрам. ( Р18, Р6М5. от rapid — быстрый, скорость).

Сульфид вольфрама WS2 применяется как высокотемпературная (до 500 °C) смазка. Некоторые соединения вольфрама применяются как катализаторы и пигменты. Монокристаллы вольфраматов (вольфраматы свинца, кадмия, кальция) используются как сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения и других ионизирующих излучений в ядерной физике и ядерной медицине.

Дителлурид вольфрама WTe2 применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую (термо-ЭДС около 57 мкВ/К). Искусственный радионуклид 185W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный 184W используется как компонент сплавов с ураном-235, применяемых в твердофазных ядерных ракетных двигателях, поскольку это единственный из распространённых изотопов вольфрама, имеющий низкое сечение захвата тепловых нейтронов (около 2 барн).

Вольфрам (англ. Tungsten) — W

КЛАССИФИКАЦИЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Бронебойные пули, сопла ракетных двигателей и буровые коронки для прорезания твердых пород — это лишь некоторые из продуктов, сделанных из вольфрама, одного из самых твердых и жаропрочных элементов во Вселенной. Что это за элемент вольфрам (wolframium) и каковы его свойства.

Вольфрам, как и большинство других металлических элементов, не встречается в природе в виде блестящих кусочков металла. Его необходимо химически изолировать от других соединений, в данном случае природного минерала вольфрамита. Вот почему символ вольфрама в периодической таблице Менделеева — это буква W, что сокращенно от «вольфрам». Название вольфрам по-шведски означает «тяжелый камень», что указывает на сверхъестественную плотность и вес элемента. Его атомный номер (число протонов в ядре его атома) составляет 74, а его атомный вес (средневзвешенное значение его встречающихся в природе изотопов) составляет 183,84.

Паре испанских химиков (и братьев) Хуану Хосе и Фаусто Эльхуяру приписывают открытие вольфрама в 1783 году, когда они впервые выделили серовато-белый металл из вольфрамита.

Самая высокая точка плавления из всех металлов

Одним из самых впечатляющих и полезных свойств вольфрама является его высокая температура плавления, самый высокий из всех металлических элементов. Чистый вольфрам плавится при колоссальной температуре 3422 градуса по Цельсию и не закипает, пока температура не достигнет 5555 градусов Цельсия, что соответствует температуре фотосферы солнца.

Для сравнения, железо имеет температуру плавления 1538 градусов по Цельсию, а золото превращается в жидкость при температуре всего 1064,18 градусов по Цельсию.

Все металлы имеют относительно высокие температуры плавления, потому что их атомы удерживаются вместе прочными металлическими связями. Металлические связи настолько сильны, потому что они разделяют электроны на весь трехмерный массив атомов. Вольфрам дольше других металлов из-за необычной прочности и направленности его металлических связей.

Почему это важно? Подумайте об Эдисоне, который работал над нитью для лампы накаливания. Ему нужен был материал, который не только излучает свет, но и не тает от тепла.

Эдисон экспериментировал с множеством различных материалов накаливания, включая платину, иридий и бамбук, но это был другой американский изобретатель, Уильям Кулидж, которому приписывают создание вольфрамовых волокон, используемых в большинстве лампочек на протяжении 20 века.

Высокая температура плавления вольфрама имеет и другие преимущества, например, когда он смешивается в виде сплава с такими материалами, как сталь. Вольфрамовые сплавы наносятся на секции ракет и ракет, которые должны выдерживать сильнейшее нагревание, включая сопла двигателей, которые выбрасывают взрывные потоки ракетного топлива.

Почему вольфрам такой тяжелый

Плотность различных элементов отражает размер составляющих их атомов. Чем ниже элемент в периодической таблице, тем крупнее и тяжелее атомы.

Более тяжелые элементы, такие как вольфрам, имеют больше протонов и нейтронов в ядре и больше электронов на орбите вокруг ядра. Это означает, что вес одного атома значительно увеличивается при переходе по таблице Менделеева.

На практике, если вы держите кусок вольфрама в одной руке и такой же объем серебра или железа в другой, вольфрам будет намного тяжелее. В частности, плотность вольфрама составляет 19,3 грамма на кубический сантиметр. Для сравнения, серебро примерно вдвое меньше вольфрама (10,5 г/см3), а железо почти на треть меньше (7,9 г/см3).

Плотность вольфрама может быть преимуществом в определенных областях применения. Его часто используют в бронебойных пулях, например, из-за его плотности и твердости. Военные также используют вольфрам для изготовления так называемого «кинетического бомбардировочного» оружия, которое стреляет из вольфрамового стержня, как воздушный таран, чтобы пробивать стены и броню танка.

Во время холодной войны ВВС США якобы экспериментировали с идеей под названием «Проект Тор», которая должна была сбрасывать связку 6-метровых вольфрамовых стержней с орбиты на вражеские цели. Эти так называемые «стержни от Бога» имели бы разрушительную силу ядерного оружия, но без ядерных осадков. Оказалось, что запуск тяжелых стержней в космос обходился слишком дорого.

Только алмазы тверже карбида вольфрама

Чистый вольфрам не так уж и тверд — вы можете разрезать его ножовкой, — но когда вольфрам объединяется с небольшим количеством углерода, он становится карбидом вольфрама, одним из самых твердых и твердых веществ на Земле.

Когда вы добавляете небольшое количество углерода или других металлов в вольфрам, он фиксирует структуру и предотвращает ее легкую деформацию.

Карбид вольфрама настолько твердый, что его можно огранить только алмазами, и даже тогда алмазы работают, только если карбид вольфрама не полностью отвержден. Карбид вольфрама в три раза более жесткий, чем сталь, может служить до 100 раз дольше, чем сталь в сильно абразивных условиях, и имеет самую большую прочность на сжатие среди всех кованых металлов, что означает, что он не вмятины и не деформируется при сжатии с огромной силой.

Наиболее распространенное применение карбида вольфрама — и конечный пункт назначения большей части добываемого на планете вольфрама — это специализированные инструменты, особенно буровые коронки. Любое сверло для резки металла или твердой породы должно выдерживать высокие уровни трения, не затупляясь и не ломаясь. Только алмазные сверла тверже карбида вольфрама, но они намного дороже.

Другие полезные применения вольфрама

Твердость, плотность и термостойкость вольфрама делают его идеальным для множества нишевых применений:

• Электронные микроскопы выстреливают поток электронов из специального наконечника эмиттера, сделанного из вольфрама.
• Большинство сварных швов между металлом и стеклом сделано из вольфрама, потому что вольфрам расширяется и сжимается с той же скоростью, что и боросиликатное стекло, наиболее распространенный вид стекла.
• Шипы на гусеницах снегохода изготовлены из вольфрамовых сплавов.
• Дротики профессионального уровня изготавливаются из вольфрама («Wolfram Infinity» на 97 процентов состоит из вольфрама ).
• В шариковых ручках шарик часто изготавливается из карбида вольфрама.
• Ювелирная промышленность изготавливает кольца из карбида вольфрама.