Основные области применения вольфрама
2025-11-11
Вольфрам и его сплавы широко применяются в электронной промышленности и промышленности источников света. Они используются для изготовления ламп различного назначения. Нити накаливания для электронных ламп изготавливаются из легированной вольфрамовой проволоки, обладающей стойкостью к провисанию.
В легированную вольфрамовую проволоку добавляют рений. Термопары, изготовленные из вольфрам-рениевой пров
олоки с низким содержанием рения и проволоки с высоким его содержанием, имеют чрезвычайно широкий диапазон измеряемых температур (0–2500°C), хорошую линейную зависимость между температурой и термо-ЭДС, высокую скорость измерения (3 секунды) и относительно недороги. Они являются идеальным выбором для измерений в водородной атмосфере.
Вольфрамовая проволока не только произвела революцию в осветительной промышленности, но и, благодаря своей высокой температуре плавления и способности сохранять механическую целостность, стала источником термионной эмиссии электронов, например, в качестве электронной пушки в сканирующих (СЭМ) и просвечивающих электронных микроскопах (ПЭМ). Также она применяется в качестве нити накала в рентгеновских трубках. В рентгеновской трубке электроны, генерируемые вольфрамовой нитью, ускоряются и направляются на анод, изготовленный из вольфрама или вольфрам-рениевого сплава, в результате чего анод испускает рентгеновское излучение.
Для генерации рентгеновских лучей требуется, чтобы энергия электронного пучка, создаваемого вольфрам-рениевой нитью, была очень высокой. Следовательно, пятно на поверхности, бомбардируемое электронами, сильно нагревается, поэтому в большинстве рентгеновских трубок используется вращающийся анод. Кроме того, вольфрамовые проволоки большого диаметра применяются в качестве нагревательных элементов в вакуумных печах.
Плотность вольфрама составляет 19,25 г/см³, что примерно в 2,5 раза больше плотности железа (7,87 г/см³), что делает его одним из самых тяжелых металлов в Периодической системе. Благодаря этому свойству, производство тяжелых вольфрамовых сплавов (сплавов с высокой плотностью) стало важной областью применения вольфрама. Используя технологию жидкофазного спекания, при которой к вольфрамовому порошку добавляют никель, железо, медь и небольшое количество других элементов, изготавливают тяжелые вольфрамовые сплавы. В зависимости от состава, эти сплавы делятся на две основные системы: W-Ni-Fe и W-Ni-Cu. После жидкофазного спекания их плотность может достигать 17–18,6 г/см³.
Жидкофазное спекание — это процесс, при котором в спекаемой прессовке смешанных порошков при температуре спекания присутствует определенное количество жидкой фазы. Его преимущество заключается в том, что жидкость смачивает твердые частицы и растворяет небольшое количество твердого вещества, что значительно ускоряет процесс уплотнения и роста зерен, позволяя достичь очень высокой относительной плотности. Например, при использовании порошка никель-железо, который обычно применяется при жидкофазном спекании, в процессе спекания никель-железный порошок плавится. Хотя растворимость жидкого никель-железа в твердом вольфраме (составляющем 95% объема) крайне мала, твердый вольфрам легко растворяется в жидком никель-железе. Как только жидкость смачивает частицы вольфрама и растворяет их часть, частицы вольфрама изменяют форму, а их внутренние поры немедленно заполняются жидкостью. При продолжении процесса частицы вольфрама укрупняются и растут, что в итоге приводит к получению практически на 100% плотного продукта с оптимальной микроструктурой.
Тяжелые вольфрамовые сплавы, изготовленные методом жидкофазного спекания, обладают не только высокой плотностью, но и лучшей ударной вязкостью по сравнению с чистым вольфрамом. Их основное применение — изготовление бронебойных снарядов с высокой проникающей способностью.
Карбид вольфрама (WC) сохраняет высокую твердость при температурах выше 1000°C, что делает его идеальным материалом для режущих и абразивных инструментов. Именно это свойство WC позволило немецкому ученому Шрётеру в 1923 году изобрести твердый сплав WC-Co. Благодаря огромным коммерческим перспективам, которые открывало применение сплава WC-Co в качестве режущего инструмента и материала для штампов, волочения и прессования, его промышленное производство было начато уже в 1926–1927 годах. Упрощенно, процесс заключается в карбидизации смеси вольфрамового порошка (или WO₃) с сажей в атмосфере водорода или вакууме при определенной температуре для получения карбида вольфрама (WC). Затем WC в определенной пропорции смешивается с металлом-связкой (кобальтом), и после процессов приготовления порошковой смеси, прессования и спекания изготавливаются твердосплавные изделия, такие как режущие пластины, матрицы, прокатные валки, буровые коронки для ударно-вращательного бурения.
В настоящее время используемые твердые сплавы на основе карбида вольфрама можно разделить на четыре основные категории: WC-Co, WC-TiC-Co, WC-TiC-TaC(NbC)-Co и твердые сплавы со стальной связкой. На их долю приходится около 63% от общего мирового потребления вольфрама, которое составляет примерно 50 000 тонн в год. Согласно последним данным, мировое производство твердых сплавов составляет около 33 000 тонн в год, потребляя 50–55% от общего объема поставок вольфрама.
Вольфрам является ключевым легирующим элементом в быстрорежущих инструментальных сталях, конструкционных и пружинных сталях, а также в жаропрочных и нержавеющих сталях. Объем потребления вольфрама для производства специальных сталей весьма значителен.
