Статья освещает процесс производства вольфрама от стадии обогащения руды до стадии получения заготовок в виде штабиков и слитков. Отмечаются характерные особенности каждой стадии.
Особое внимание в статье уделяется продукции (проволока, прутки, листы и др.). Описаны процессы изготовления той или иной продукции из вольфрама, ее характерные особенности и области применения.
Глава 1. Вольфрам. Свойства и области применения вольфрама
Вольфрам (обозначается W) - химический элемент VI группы 6-го периода таблицы Д.И. Менделеева, имеет номер 74; переходный металл светло-серого цвета. Самый тугоплавкий металл, имеет температуру плавления t пл = 3380 °С. С точки зрения применения металла вольфрам его наиболее важными свойствами являются плотность, температура плавления, электрическое сопротивление, коэффициент линейного расширения.§1. Свойства вольфрама
| Свойство | Значение |
|---|---|
| Физические свойства | |
| Атомный номер | 74 |
| Атомная масса, а.е.м. (г/моль) | 183,84 |
| Атомный диаметр, нм | 0,274 |
| Плотность, г/см 3 | 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 |
| Коэффициент Пуассона | 0,29 |
| Временное сопротивление σ B , 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.
§2. Марки вольфрама
| Марка вольфрама | Характеристика марки | Цель введения присадки |
|---|---|---|
| ВЧ | Вольфрам чистый (без присадок) | - |
| ВА | Вольфрам с кремнещелочной и алюминиевой присадками | Повышение температуры первичной рекристализации, прочности после отжига, формоустойчивости при высоких температурах |
| ВМ | Вольфрам с кремнещелочной и ториевой присадками | Повышение температуры рекристализации и увеличение прочности вольфрама при высоких температурах |
| ВТ | Вольфрам с присадкой окиси тория | |
| ВИ | Вольфрам с присадкой окиси иттрия | Повышение эмиссионных свойств вольфрама |
| ВЛ | Вольфрам с присадкой окиси лантана | Повышение эмиссионных свойств вольфрама |
| ВР | Сплав вольфрама и рения | Увеличение пластичности вольфрама после высокотемпературной обработки, повышение температуры первичной рекристаллизации, прочности при высоких температурах, удельного электросопротивления и т.э.д.с. |
| ВРН | Вольфрам без присадки, в котором допускается повышенное содержание примесей | - |
| МВ | Сплавы молибдена и вольфрама | Повышение прочности молибдена при сохранении пластичности после отжига |
§3. Области применения вольфрама
Вольфрам получил широкое применение благодаря своим уникальным свойствам. В промышленности вольфрам используется в виде чистого металла и в ряде сплавов.Основные направления применения вольфрама
1. Специальные стали
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). Из перечисленных сталей изготовляют сверла, фрезы, пуансоны, штампы и др. 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.
2. Твердые сплавы на основе карбида вольфрама
Карбид вольфрама (WC, W 2 C) - соединение вольфрама с углеродом (см. ). 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Сварочные электроды
Очень важной сферой применения вольфрама является сварка. Из вольфрама изготавливают электроды для дуговой сварки (см. ). Вольфрамовые электроды являются неплавящимися.
Глава 2. Производство вольфрама
§1. 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:
- Разложение рудного материала - отделение извлекаемого металла от основной массы перерабатываемого сырья и концентрирование его в растворе или осадке.
- Получение чистых химических соединений - выделение и очистка химического соединения.
- Выделение металла из полученного соединения - получение чистых редких металлов.
- 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 WO 3 . В вольфрамовых концентратах контролируется содержание примесей - фосфора, серы, мышьяка, олова, меди, сурьмы и висмута.
- Получение трехокиси (ангидрида) вольфрама WO 3 , 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 % WO 3 .
- Получение вольфрамового порошка. Чистый металл в виде порошка может быть получен из ангидрида вольфрама WO 3 . Для этого проводят процесс восстановления ангидрида водородом или углеродом. Восстановление углеродом применяется реже, так как при данном процессе WO 3 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.
- 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.
§2. 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.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:
- прессование штабиков из металлического порошка;
- низкотемпературное (предварительное) спекание заготовок;
- спекание (сварка) заготовок;
- 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).
С 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.
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.
Глава 3. Продукция из вольфрама. Прутки, проволока, полосы, порошок
§1. Вольфрамовые прутки
ПроизводствоВольфрамовые прутки - один из самых распространенных видов продукции из тугоплавкого металла вольфрам. Исходным материалом для производства прутков является штабик.
Для получения вольфрамовых прутков штабик подвергают ковке на ротационной ковочной машине. Ковка осуществляется в нагретом состоянии, так как при комнатной температуре вольфрам очень хрупкий. Можно выделить несколько этапов ковки. На каждом следующем этапе получают прутки меньшего диаметра, чем на предыдущем.
При первой ковке можно получить вольфрамовые прутки диаметром до 7 мм (при условии, что штабик имеет длину стороны 10-15 см). Ковку осуществляют при температуре заготовки 1450-1500 °С. В качестве материала нагревателя обычно используется молибден. После второй ковки получают прутки диаметром до 4,5 мм. Ее производят при температуре штабика 1300-1250 °С. При дальнейшей ковке получают вольфрамовые прутки диаметром до 2,75 мм. Стоит отметить, что вольфрамовые прутки марок ВТ, ВЛ и ВИ получают при более высокой температуре, чем прутки марок ВА и ВЧ.
Если в качестве исходной заготовки используют слитки из вольфрама, которые получают путем плавки, то горячую ковку не осуществляют. Это связано с тем, что данные слитки имеют грубую крупнокристаллическую структуру, и их горячая ковка может привести к образованию трещин и разрушению.
В таком случае вольфрамовые слитки подвергают двойному горячему прессованию (степень деформации около 90%). Первое прессование производится при температуре 1800-1900 °С, второе - 1350-1500 °С. Затем заготовки подвергают горячей ковке для получения прутков из вольфрама.
Применение
Вольфрамовые прутки нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Одно из наиболее распространенных применений - неплавящиеся сварочные электроды. Для таких целей подходят прутки из вольфрама марок ВТ, ВИ, ВЛ. Также вольфрамовые прутки марок ВА, ВР, МВ используются в качестве нагревателей. Нагреватели из вольфрама работают в печах до 3000 °С в атмосфере водорода, инертного газа или в вакууме. Прутки из вольфрама могут служить катодами радиоламп, электронных и газоразрядных приборов.
§2. Вольфрамовые электроды
Дуговая сваркаСварочные электроды являются одними из важнейших компонентов, необходимых для сварки. Наиболее широко они применяются при дуговой сварке. Она относится к термическому классу сварки, в котором плавление осуществляется за счет термической энергии. Дуговая сварка (ручная, полуавтоматическая и автоматическая) является наиболее распространенным технологическим процессом сварки. Тепловая энергия создается вольтовой дугой, которая горит между электродом и изделием (деталью, заготовкой). Дуга - мощный стабильный электрический разряд в ионизированной атмосфере газов, паров металла. Электрод подводит электрический ток к месту сварки, чтобы получить дугу.
Сварочные электроды
Сварочный электрод - проволочный стержень с нанесенным на него покрытием (или без покрытия). Существует большое количество разнообразных электродов для сварки. Они различаются по химическому составу, длине, диаметру, определенный тип электродов подходит для сварки определенных металлов и сплавов и. т.д. Разделение электродов сварочных на плавящиеся и неплавящиеся является одним из важнейших видов их классификации.
Плавящиеся сварочные электроды расплавляются в процессе сварки, их металл вместе с расплавленным металлом свариваемой детали идет на пополнение сварочной ванны. Такие электроды выполняют из стали и меди.
Неплавящиеся электроды не расплавляются во время сварки. К данному типу можно отнести угольные и вольфрамовые электроды. При сварке с использованием неплавящихся вольфрамовых электродов необходима подача присадочного материала (обычно это сварочная проволока или пруток), который расплавляется и вместе с расплавленным материалом свариваемой детали образует сварочную ванну.
Также, электроды для сварки бывают покрытые и непокрытые. Покрытие имеет важную роль. Его составляющие могут обеспечить получение металла швов заданных состава и свойств, стабильное горения дуги, защиту расплавленного металла от воздействия воздуха. Соответственно составляющие покрытия могут быть легирующими, стабилизирующими, газообразующими, шлакообразующими, раскисляющими, а само покрытие - кислым, рутиловым, основным или целлюлозным.
Сварочные вольфрамовые электроды
Как было отмечено ранее 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:
- короткое замыкание электрода на заготовку;
- отвод электрода на незначительное расстояние;
- возникновение устойчивого дугового разряда.
Аргонодуговая сварка (Дуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона) Данный вид сварки хорошо зарекомендовал себя при сваривании цветных металлов таких, как молибден, титан, никель, а также высоколегированных сталей. Это разновидность дуговой сварки, где источником высокой температуры, необходимой для создания сварочной ванны, является электрический ток. В данном виде аргонодуговой сварки основными элементами являются вольфрамовый электрод и инертный газ аргон. Аргон во время сварки подается на вольфрамовый электрод и защищает его, зону дуги и сварочную ванну от атмосферной газовой смеси (азот, водород, углекислый газ). Данная защита намного повышает качественные характеристики сварного шва, а также предохраняет сварочные вольфрамовые электроды от быстрого сгорания в среде воздуха. Газ аргон может применяться при сварке большого количества металлов и сплавов, так как он является инертным.
Стандарты для вольфрамовых электродов
В России неплавящиеся вольфрамовые электроды производятся в соответствии с требованиями стандартов и технических условий. Среди них: ГОСТ 23949-80
“Электроды вольфрамовые сварочные неплавящиеся. Технические условия”; ТУ 48-19-27-88
“Вольфрам лантанированный в виде прутков. Технические условия”; ТУ 48-19-221-83
“Прутки из иттрированного вольфрама марки СВИ-1. Технические условия”; ТУ 48-19-527-83
“Электроды вольфрамовые сварочные неплавящиеся ЭВЧ и ЭВЛ-2. Технические условия”.
§3. Вольфрамовая проволока
ПроизводствоВольфрамовая проволока - один из самых распространенных видов продукции из данного тугоплавкого металла. Исходным материалом для ее изготовления являются кованые вольфрамовые прутки диаметром 2,75 мм.
Волочение проволоки производится при температуре 1000 °С в начале процесса и 400-600 °С - в конце. При этом нагревается не только проволока, но и фильера. Нагрев осуществляется пламенем газовой горелки или электрическим нагревателем.
Волочение проволоки диаметром до 1,26 мм ведут на прямолинейном цепном волочильном стане, в пределах диаметра 1,25-0,5 мм - на блочном стане с диаметром катушки ~1000 мм, диаметра 0,5-0,25 - на машинах однократного волочения.
В результате ковки и волочения структура заготовки превращается в волокнистую, которая состоит из осколков кристаллов, вытянутых вдоль оси обработки. Такая структура приводит к резкому повышению прочности проволоки из вольфрама.
После волочения вольфрамовая проволока покрыта графитовой смазкой. Поверхность проволоки необходимо очистить. Очистку производят с помощью отжига, химического или электролитического травления, электролитической полировки. Полировка может увеличить механическую прочность вольфрамовой проволоки на 20-25%.
Применение
Вольфрамовая проволока используется для изготовления элементов сопротивления в нагревательных печах, работающих в атмосфере водорода, нейтрального газа или в вакууме при температурах до 3000 °С. Также проволока из вольфрама служит для производства термопар. Для этого используются вольфрам-рениевый сплав с 5% рения и вольфрам-рениевый сплав с 20% рения (ВР 5/20
).
В ГОСТ 18903-73 “Проволока вольфрамовая. Сортамент” указаны области применения проволоки марок ВА, ВМ, ВРН, ВТ-7, ВТ-10, ВТ-15. Вольфрамовая проволока ВА в зависимости от группы, состояния поверхности и металла, диаметра применяется для изготовления спиралей ламп накаливания и других источников света, спиралеобразных катодов и подогревателей электронных приборов, пружин полупроводниковых приборов, петлевых подогревателей, неспиралеобразных катодов, сеток, пружин электронных приборов. Проволока марки ВРН применяется при получении вводов, траверсов и других деталей приборов, не требующих применения вольфрама со специальными присадками.
§4. Вольфрамовый порошок
Чистый вольфрамовый порошок служит исходным сырьем для производства компактного вольфрама (см. ). Карбид вольфрама WC, котрый по внешнему виду также представляет из себя порошок, используют для изготовления твердых сплавов.В зависимости от назначения порошки вольфрама различают по средней величине частиц, набору зерен и другим параметрам.
Основная примесь в вольфрамовых порошках - кислород (0,05 - 0,3%). Металлические примеси содержатся в вольфрамовых порошках в очень малых количествах. Часто в порошки вольфрама вводят присадки из других металлов, которые улучшают определенные свойства конечного продукта. В качестве присадок часто используют алюминий, торий, лантан и другие.
Вольфрамовый порошок ВА, который применяется для изготовления проволоки, содержит равномерно распределенную кремнещелочную и алюминиевую присадки (0,32% K 2 O; 0,45% SiO 2 ; 0,03% Al 2 O 3), порошок из тугоплавкого металла вольфрам марки ВТ - присадку окиси тория (0,7 - 5%), ВЛ - присадку оскиси лантана (~1% La 2 O 3), ВИ - присадку окиси иттрия (~3% Y 2 O 3), ВМ - кремнещелочную и ториевую присадки (0,32% K 2 O; 0,45% SiO 2 ; 0,25% ThO 2).
§5. Вольфрамовые полосы (листы, ленты, фольга, пластины)
ПроизводствоКак правило, плоский прокат из вольфрама - листы, ленты, пластины, фольга - получают применением двух операций - плоская ковка и прокатка. В качестве заготовки используются вольфрамовые штабики различных размеров.
Сначала штабики из вольфрама подвергаются плоской ковке пневматическим молотом. Ковку ведут при температуре 1500-1700 °С, которая по мере деформации уменьшается до 1200-1300 °С. Операция ковки продолжается до получения поковки толщиной 8-10 мм (при сечении штабика 25х25 мм) или 4-5 мм (при сечении штабика 12х12 мм).
Затем полученные поковки подвергают прокатке на прокатных станах. В начале процесса прокатки заготовки нагревают до 1300-1400 °С, затем понижают температуру до 1000-1200 °С. С помощью горячей прокатки получают вольфрамовые листы, ленты и пластины толщиной до 0,6 мм. Для получения листов, лент и пластинок меньшего размера проводят холодную прокатку. Для получения тонких листов из вольфрама толщиной до 0,125 мм и ленты (фольги) толщиной 0,02-0,03 мм применяют прокатку в пакетах. Пакет состоит из нескольких вольфрамовых лент равной толщины и более толстых молибденовых пластин, которые лежат поверх лент из вольфрама. Молибденовые пластины более пластичны и быстрее деформируются, чем вольфрамовые. В результате во время прокатки они становятся тоньше, чем вольфрамовые ленты. Через один или несколько переходов молибденовые пластины приходится заменять новыми так, чтобы толщина пакета оставалась приблизительно постоянной. Стоит отметить, что целью данного процесса является изготовление именно тонкой вольфрамовой ленты (фольги). Молибденовые пластины здесь являются расходным материалом, который необходим для осуществления прокатки в пакетах.
Заготовками для вольфрамовой ленты, пластин и листов также могут служить слитки из вольфрама, которые получают методом плавки (см. ). Слитки предварительно прессуют. Из слитков диаметром 70-80 мм прессованием получают прямоугольные заготовки толщиной 20-25 мм и шириной 50-60 мм. Затем заготовки деформируют на двухвалковых прессах.
Вольфрамовые листы В-МП
Вольфрамовые листы В-МП получили широкое распространение в промышленности. Они производятся из порошка вольфрама марок ПВ1 и ПВ2, содержащего 99,98% W. Листы и пластины В-МП должны иметь толщину 0,5-45 мм, обрезанные кромки. Листы могут быть механически обработанны в соответствии с требованиями заказчика. ГОСТ 23922-79
“Листы из вольфрама марки В-МП. Технические условия”.
Применение
Благодаря высокой жаропрочности вольфрамовые листы, как и другая продукция из данного тугоплавкого металла, применяются в условиях экстремально высоких температур. Из вольфрамовых листов изготавливается различная оснастка для высокотемпературных печей - тепловые экраны, подставки и другие элементы крепления. Распыляемые мишени из вольфрама, которые выполнены в виде пластин, используются для тонких барьерных пленок при металлизации полупроводниковых компонентов интегральных схем. В ядерной энергетике вольфрамовые листы используются в качестве экранов для ослабления потока радиоактивного излучения.
§6. Сплавы вольфрама с рением
В отдельный параграф стоит вынести сплавы вольфрама с рением и продукцию из этих сплавов. Более подробно здесь будут рассмотрены сплавы марок ВР5 и ВР20.Сплавы двух данных металлов относятся к жаропрочным. Легирование вольфрама другими металлами снижает температуру его плавления. Но при легировании тугоплавким металлом температура плавления сплава снижается не так значительно. Вольфрам (W) и рений (Re) - тугоплавкие металлы.
При использовании рения в качестве присадки наблюдается “рениевый эффект”. 5% рения повышают жаропрочность и пластичность вольфрама. При 20-30% содержания рения наблюдается оптимальное сочетание прочности и пластичности с высокой технологичностью. Также к достоинствам вольфрам-рениевых сплавов можно отнести малую скорость испарения при температурах эксплуатации и высокое электрическое сопротивление.
Сплавы вольфрама с рением, как и компактный вольфрам, получают методами порошковой металлургии и плавки.
Интересной областью применения данных сплавов является измерение температуры. Вольфрамо-рениевая проволока ВР5 (5% Re, остальное - W) и ВР20 (20% Re, остальное - W) используются для изготовления высокотемпературных термопар.
Основным достоинством таких термопар является диапазон измеряемых температур. Поскольку сплавы ВР 5/20 являются жаропрочными, то с помощью термопар, сделанных из соответствующей проволоки, можно измерять температуры больше 2000 °С. Однако термопары данного вида должны находиться в инертной среде.
Наиболее часто для изготовления термопар используется вольфрамо-рениевая термоэлектродная проволока ВР5, ВР20 Ø 0,2; 0,35; 0,5 мм.
§7. Карбиды вольфрама
Очень важными с практической точки зрения являются соединения вольфрама с углеродом - карбиды вольфрама. Вольфрам образует два карбида - W 2 C и WC. Указанные карбиды различаются растворимостью в карбидах других тугоплавких металлов и химическим поведением в различных кислотах. Карбиды вольфрама, подобно карбидам других тугоплавких металлов, обладают металлической проводимостью и положительным коэффициентом электросопротивления. Тугоплавкость и высокая твердость карбидов обусловлены прочными межатомными связями в их кристаллах. Причем высокая твердость карбида WC сохраняется и при повышенных температурах.Наиболее распространенный способ получения карбидов вольфрама WC и W 2 C - прокаливание смеси порошкообразного вольфрама с сажей в интервале температур 1000-1500 °С.
Карбиды вольфрама WC и W 2 C применяются в основном для изготовления твердых сплавов.
Твердые сплавы
Можно выделить 2 группы твердых сплавов на основе карбида вольфрама:
- литые твердые сплавы (часто называемые литыми карбидами вольфрама);
- спеченные твердые сплавы.
Спеченные твердые сплавы сочетают в себе монокарбид вольфрама WC и цементирующий металл-связку, которым обычно служит кобальт, реже - никель. Такие сплавы могут быть получены только методом порошковой металлургии. Порошок карбида вольфрама и порошок кобальта или никеля смешивают, прессуют в изделия необходимой формы, а затем спекают при температурах близких к температуре плавления цементирующего металла. Помимо высокой твердости и износоустойчивости данные сплавы обладают хорошей прочностью. Спеченные твердые сплавы являются наиболее производительными современными инструментальными материалами для обработки металлов резанием. Также они используются для изготовления волок, штампов, бурового инструмента. Среди твердых сплавов, для производства котрых используется карбид вольфрама, стоит выделить сплавы группы ВК - вольфрамокобальтовые твердые сплавы. Широкое распространение в промышленности получили сплавы ВК8 и ВК6. Из них изготовляют резцы, сверла, фрезы, а также другой режущий и буровой инструмент.
Заключение
В данной статье рассмотрены различные аспекты, связанные с тугоплавким металлом ВОЛЬФРАМ - свойства, области применения, производство, продукция.Как описано в статье, процесс получения данного металла состоит из многих стадий и является достаточно трудоемким. Авторы постарались выделить наиболее значимые этапы производства вольфрама и обратить внимание на важные особенности.
Обзор свойств и областей применения вольфрама показывает, что это очень важный материал, без которого в некоторых отраслях промышленности просто невозможно обойтись. Он обладает уникальными свойствами, которые в некоторых ситуациях нельзя получить путем применения других материалов.
Обзор выпускаемой промышленностью продукции из вольфрама - проволоки, прутков, листов, порошка - позволяет лучше понять ее особенности, важные свойства и конкретные применения.
Вольфрамовая сталь
Содержание в стали вольфрама придает ей значительную твердость и заметно повышает температуру плавления. Применяется она для рессор, снарядов, денежных шкафов, для режущих инструментов (с присадкой молибдена - "самозакаливающаяся" сталь) и т. д. В общем можно различать два класса В. стали: бедную и богатую вольфрамом. При содержании вольфрама до 10 % сталь с 0,2 % С по микроструктуре близка к обыкновенной стали; при высшем содержании вольфрама появляется в стали целый ряд кристаллических включений, препятствующих, напр. прокатке. При 0,8 % С кристаллы эти являются уже при 5 % W. По составу они представляют, вероятно, C + W. Бедная вольфрамом сталь - по микроструктуре перлитическая, обладает свойствами, аналогичными обыкновенной стали, только, при том же содержании С, временное сопротивление, предел упругости и твердость больше, а удлинение, уменьшение площади поперечного сечения при разрыве и сопротивление удару тем меньше, чем больше W; разница эта иногда довольно значительна. Закалку и отжиг такая сталь принимает сильнее обыкновенной. Богатая вольфрамом сталь со включениями карбида обладает, при том же содержании С, меньшим временным сопротивлением и пределом упругости, чем предыдущая. Сопротивление удару почти не зависит от содержания С и W. Закалка при 850° вызывает весьма тонкое появление мартенсита; она сильно увеличивает временное сопротивление, предел упругости и твердость такой В. стали.
Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. - С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон . 1890-1907 .
Смотреть что такое "Вольфрамовая сталь" в других словарях:
вольфрамовая сталь - — Тематики нефтегазовая промышленность EN tungsten steel … Справочник технического переводчика
Сталь (польск. stal, от нем. Stahl), деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и др. элементами. С. ‒ важнейший продукт чёрной металлургии, являющийся материальной основой практически всех отраслей промышленности. Масштабы… …
I (Staël; по мужу Сталь Гольштейн; Staël Holstein) Анна Луиза Жермена де (16 или 22.4.1766, Париж, 14.7.1817, там же), французская писательница, теоретик литературы, публицист. Дочь Ж. Неккера. Получила разностороннее домашнее образование … Большая советская энциклопедия
Быстрорежущие стали легированные стали, предназначенные, главным образом, для изготовления металлорежущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания … Википедия
ВОЛЬФРАМОВЫЙ, вольфрамовая, вольфрамовое. прил. к вольфрам (хим.). Вольфрамовая руда. || Изготовленный из вольфрама; с примесью вольфрама (тех.). Вольфрамовая сталь. Вольфрамовая лампочка (с накаливающейся проволокой из вольфрама). Вольфрамовая… … Толковый словарь Ушакова
Есть продукт, который получают проволакиванием какого либо тягучего в холодном состоянии металла через ряд постепенно уменьшающихся отверстий волочильной доски. Диаметр проволоки, смотря по надобности, колеблется от 0,004 0,5 . Наибольшее… …
Есть продукт, который получают проволакиванием какого либо тягучего в холодном состоянии металла через ряд постепенно уменьшающихся отверстий волочильной доски. Диаметр проволоки, смотря по надобности, колеблется от 0,004″ 0,5″. Наибольшее… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Химия
Элемент № 74 вольфрам причисляют обычно к редким металлам: его содержание в земной коре оценивается в 0,0055%; его нет в морской воде, его не удалось обнаружить в солнечном спектре. Однако по популярности онможет поспорить со многими отнюдь не редкими металлами, а его минералы были известны задолго до открытия самого элемента. Так, еще в XVII в. во многих европейских странах знали «вольфрам» и «тунгстен» - так называли тогда наиболее распространенные минералы вольфрама - вольфрамит и шеелит. А элементарный вольфрам был открыт в последней четверти XVIII в .
Вольфрамовая руда
Очень скоро этот металл получил практическое значение - как легирующая добавка. А после Всемирной выставки 1900 г. в Париже, на которой демонстрировались образцы быстрорежущей вольфрамовой стали, элемент № 74 стали применять металлурги во всех более или менее промышленно развитых странах. Главная особенность вольфрама как легирующей добавки заключается в том, что он придает стали красностойкость - позволяет сохранить твердость и прочность при высокой температуре. Более того, большинство сталей при охлаждении на воздухе (после выдержки при температуре, близкой к температуре красного каления) теряют твердость. А вольфрамовые - нет.
Инструмент, изготовленный из вольфрамовой стали, выдерживает огромные скорости самых интенсивных процессов металлообработки. Скорость резания таким инструментом измеряется десятками метров в секунду.
Современные быстрорежущие стали содержат до 18% вольфрама (или вольфрама с молибденом), 2-7% хрома и небольшое количество кобальта. Они сохраняют твердость при 700-800° С, в то время как обычная сталь начинает размягчаться при нагреве всего до 200° С. Еще большей твердостью обладают «стеллиты» - сплавы
вольфрам
а с хромом и кобальтом (без железа) и особенно карбиды вольфрама - его соединения с углеродом. Сплав «видна» (карбид вольфрама, 5-15% кобальта и небольшая примесь карбида титана) в 1,3 раза тверже обычной вольфрамовой стали и сохраняет твердость до 1000- 1100° С. Резцами из этого сплава можно снимать за минуту до 1500-2000 м железной стружки. Ими можно быстро и точно обрабатывать «капризные» материалы: бронзу и фарфор, стекло и эбонит; при этом сам инструмент изнашивается совсем незначительно.
В начале XX в. вольфрамовую нить стали применять в электрических лампочках: она позволяет доводить накал до 2200° С и обладает большой светоотдачей. И в этом качестве вольфрам совершенно незаменим до наших дней. Очевидно, поэтому электрическая лампочка названа в одной популярной песне «глазком вольфрамовым».
Минералы и руды вольфрама
Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисыо вольфрама WO 3 и окислами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Наиболее распространенный минерал, вольфрамит, представляет собой твердый раствор вольфраматов (солей вольфрамовой кислоты) железа и марганца (mFeW0 4 *nMnW0 4). Этот раствор - тяжелые и твердые кристаллы коричневого или черного цвета, в зависимости от того, какое соединение преобладает в их составе. Если больше побнерита (соединения марганца), кристаллы черные, если же преобладает железосодержащий ферберит - коричневые. Вольфрамит парамагнитен и хорошо проводит электрический ток.
Из других минералов вольфрама промышленное значение имеет шеелит - вольфрамат кальция CaW04. Он образует блестящие, как стекло, кристаллы светло-желтого, иногда почти белого цвета. Шеелит немагнитен, но он обладает другой характерной особенностью - способностью к люминесценции. Если его осветить ультрафиолетовыми лучами, он флуоресцирует в темноте ярко-синим цветом. Примесь молибдена меняет окраску свечения шеелита: она становится бледно-синей, а иногда даже кремовой. Это свойство шеелита, используемое в геологической разведке, служит поисковым признаком, позволяющим обнаружить залежи минерала.
Месторождения вольфрамовых руд теологически связаны с областями распространения гранитов . Крупнейшие зарубежные месторождения вольфрамита и шеелита находятся в Китае, Бирме, США, Боливии и Португалии. Наша страна тоже располагает значительными запасами минералов вольфрама, главные их месторождения находятся на Урале, Кавказе и в Забайкалье.
Крупные кристаллы вольфрамита или шеелита - большая редкость. Обычно вольфрамовые минералы лишь вкраплены в древние гранитные породы - средняя концентрация вольфрама в итоге оказывается в лучшем случае 1-2%. Поэтому извлечь вольфрам из руд очень трудно.
Как получают вольфрам
Первая стадия - обогащение руды, отделение ценных компонентов от основной массы - пустой породы. Методы обогащения - обычные для тяжелых руд и металлов: измельчение и флотация с последующими операциями - магнитной сепарацией (для вольфрамитиых руд) и окислительным обжигом.
Полученный концентрат чаще всего спекают с избытком соды, чтобы перевести вольфрам в растворимое соединение - вольфрамат натрия. Другой способ получения этого вещества - выщелачивание; вольфрам извлекают содовым раствором под давлением и при повышенной температуре (процесс идет в автоклаве) с последующей нейтрализацией и осаждением в виде искусственного шеелита, т. е. вольфрамата кальция. Стремление получить именно вольфрамат объясняется тем, что из него сравнительно просто, всего в две стадии:
CaW0 4 → H 2 W0 4 или (NH 4) 2 W0 4 → WO 3 , можно выделить очищенную от большей части примесей окись вольфрама.
Есть еще один способ получения окиси вольфрама - через хлориды. Вольфрамовый концентрат при повышенной температуре обрабатывают газообразным хлором. Образовавшиеся хлориды вольфрама довольно легко отделить от хлоридов других металлов методом возгонки, используя разницу температур, при которых эти вещества переходят в парообразное состояние. Полученные хлориды вольфрама можно превратить в окисел, а можно пустить непосредственно на переработку в элементарный металл.
Превращение окислов или хлоридов в металл - следующая стадия производства вольфрама. Лучший восстановитель окиси вольфрама - водород. При восстановлении водородом получается наиболее чистый металлический вольфрам. Процесс восстановления происходит в трубчатых печах, нагретых таким образом, что по мере продвижения по трубе «лодочка» с W0 3 проходит через несколько температурных зон. Навстречу ей идет поток сухого водорода. Восстановление происходит и в «холодных» (450-600° С) и в «горячих» (750-1100° С) зонах; в «холодных» - до низшего окисла W0 2 , дальше - до элементарного металла. В зависимости от температуры и длительности реакции в «горячей» зоне меняются чистота и размеры зерен выделяющегося на стенках «лодочки» порошкообразного вольфрама.
Восстановление может идти не только под действием водорода. На практике часто используется уголь. Применение твердого восстановителя несколько упрощает производство, однако в этом случае требуется более высокая температура - до 1300-1400° С. Кроме того, уголь и примеси, которые он всегда содержит, вступают в реакции с вольфрамом, образуя карбиды и другие соединения. Это приводит к загрязнению металла. Между тем электротехнике нужен весьма чистый вольфрам. Всего 0,1% железа делает вольфрам хрупким и малопригодным для изготовления тончайшей проволоки.
Получение вольфрама из хлоридов основано на процессе пиролиза. Вольфрам образует с хлором несколько соединений. С помощью избытка хлора все их можно перевести в высший хлорид - WCl 6 , который разлагается на вольфрам и хлор при 1600° С. В присутствии водорода этот процесс идет уже при 1000° С.
Так получают металлический вольфрам, но не компактный, а в виде порошка, который затем прессуют в токе водорода при высокой температуре. На первой стадии прессования (при нагреве до 1100-1300° С) образуется пористый ломкий слиток. Прессование продолжается при еще более высокой температуре, едва не достигающей под конец температуры плавления вольфрама. В этих условиях металл постепенно становится сплошным, приобретает волокнистую структуру, а с ней - пластичность и ковкость.
Главные свойства
Вольфрам отличается от всех остальных металлов особой тяжестью, твердостью и тугоплавкостью. Давно известно выражение: «Тяжелый, как свинец». Правильнее было бы говорить: «Тяжелый, как вольфрам». Плотность вольфрама почти вдвое больше, чем свинца, точнее - в 1,7 раза. При этом атомная масса его несколько ниже: 184 против 207.
По тугоплавкости и твердости вольфрам и его сплавы занимают высшие места среди металлов. Технически чистый вольфрам плавится при 3410° С, а кипит лишь при 6690° С. Такая температура - на поверхности Солнца!
А выглядит «король тугоплавкости» довольно заурядно. Цвет вольфрама в значительной мере зависит от способа получения. Сплавленный вольфрам - блестящий серый металл, больше всего напоминающий платину. Вольфрамовый порошок - серый, темно-серый и даже черный (чем мельче зернение, тем темнее).
Химическая активность
Природный вольфрам состоит из пяти стабильных изотопов с массовыми числами от 180 до 186. Кроме того, в атомных реакторах в результате различных ядерных реакций образуются еще 8 радиоактивных изотопов вольфрама с массовыми числами от 176 до 188; все они сравнительно недолговечны: их периоды полураспада - от нескольких часов до нескольких месяцев.
Семьдесят четыре электрона атома вольфрама расположены вокруг ядра таким образом, что шесть из них находятся на внешних орбитах и могут быть отделены сравнительно легко. Поэтому максимальная валентность вольфрама равна шести. Однако строение этих внешних орбит особое - они состоят как бы из двух «ярусов»: четыре электрона принадлежат предпоследнему уровню -d, который оказывается, таким образом, заполненным меньше чем наполовину. (Известно, что число электронов в заполненном уровне d равно десяти.) Эти четыре электрона (очевидно, неспарепные) способны легко образовывать химическую связь. Что же касается двух «самых наружных» электронов, то их оторвать совсем легко.
Именно особенностями строения электронной оболочки объясняется высокая химическая активность вольфрама. В соединениях он бывает не только шестивалентным, но и пяти-, четырех-, трех-, двух- и нульвалентным. (Неизвестны лишь соединения одновалентного вольфрама).
Активность вольфрама проявляется в том, что он вступает в реакции с подавляющим болишинстом элементов, образуя множество простых и сложных соединений. Даже в сплавах вольфрам часто оказывается химически связанным. А с кислородом и другими окислителями он взаимодействует легче, чем большинство тяжелых металлов.
Реакция вольфрама с кислородом идет при нагревании, особенно легко - в присутствии паров воды. Если вольфрам нагревать на воздухе, то при 400-500° С на поверхности металла образуется устойчивый низший окисел W0 2 ; вся поверхность затягивается коричневой пленкой. При более высокой температуре сначала получается промежуточный окисел W 4 O 11 синего цвета, а затем лимонножелтая трехокись вольфрама W0 3 , которая возгоняется при 923° С.
Сухой фтор соединяется с тонкоизмельченным вольфрамом уже при небольшом нагревании. При этом образуется гексафторид WF6 - вещество, которое плавится при 2,5° С и кипит при 19,5° С. Аналогичное соединение - WCl 6 - получается при реакции с хлором, но лишь при 600° С. Сине-стального цвета кристаллы WCl 6 плавятся при 275° С и кипят при 347° С. С бромом и йодом вольфрам образует малоустойчивые соединения: пента- и дибромид, тетра- и дииоднд.
При высокой температуре вольфрам соединяется с серой, селеном и теллуром, с азотом и бором, с углеродом и кремнием. Некоторые из этих соединений отличаются большой твердостью и другими замечательными свойствами.
Очень интересен карбонил W(CO) 6 . Здесь вольфрам соединен с окисью углерода и, следовательно, обладает нулевой валентностью. Карбонил вольфрама неустойчив; его получают в специальных условиях. При 0° он выделяется из соответствующего раствора в виде бесцветных кристаллов, при 50° С возгоняется, а при 100° С полностью разлагается. Но именно это соединение позволяет получить тонкие и плотные покрытия из чистого вольфрама.
Не только сам вольфрам, но и многие его соединения весьма активны. В частности, окись вольфрама WO 3 способна к полимеризации. В результате образуются так называемые изополисоединения и гетерополисоединения: молекулы последних могут содержать более 50 атомов.
Сплавы
Почти со всеми металлами вольфрам образует сплавы, однако получить их не так-то просто. Дело в том, что общепринятые методы сплавления в данном случае, как правило, неприменимы. При температуре плавления вольфрама большинство других металлов уже превращается в газы пли весьма летучие жидкости. Поэтому сплавы, содержащие вольфрам, обычно получают методами порошковой металлургии.
Во избежание окисления все операции проводят в вакууме или в атмосфере аргона. Делается это так. Сначала смесь металлических порошков прессуют, затем спекают и подвергают дуговой плавке в электрических печах. Иногда прессуют и спекают один вольфрамовый порошок, а полученную таким путем пористую заготовку пропитывают жидким расплавом другого металла: получаются так называемые псевдосплавы. Этим методом пользуются, когда нужно получить сплав вольфрама с медью и серебром.
С хромом и молибденом, ниобием и танталом вольфрам дает обычные (гомогенные) сплавы при любых соотношениях. Уже небольшие добавки вольфрама повышают твердость этих металлов и их устойчивость к окислению.
Сплавы с железом, никелем и кобальтом более сложны. Здесь, в зависимости от соотношения компонентов, образуются либо твердые растворы, либо интерметаллические соединения (химические соединения металлов), а в присутствии углерода (который всегда имеется в стали) - смешанные карбиды вольфрама и железа, придающие металлу еще большую твердость.
Очень сложные соединения образуются при сплавлении вольфрама с алюминием, бериллием и титаном: в них на один атом вольфрама приходится от 2 до 12 атомов легкого металла. Эти сплавы отличаются жаропрочностью и устойчивостью к окислению при высокой температуре.
На практике чаще всего применяются сплавы вольфрама не с одним каким-либо металлом, а с несколькими. Таковы, в частности, кислотостойкие сплавы вольфрама с хромом и кобальтом или никелем (амалой); из них делают хирургические инструменты. Лучшие марки магнитной стали содержат вольфрам, железо и кобальт. А в специальных жаропрочных сплавах, кроме вольфрама, имеются хром, никель и алюминий.
Из всех сплавов вольфрама наибольшее значение приобрели вольфрамсодержащие стали. Они устойчивы к истиранию, не дают трещин, сохраняют твердость вплоть до температуры красного каления. Инструмент из них не только позволяет резко интенсифицировать процессы металлообработки (скорость обработки металлических изделий повышается в 10-15 раз), но и служит намного дольше, чем тот же инструмент из другой стали.
Вольфрамовые сплавы не только жаропрочны, но и жаростойки. Они не корродируют при высокой температуре под действием воздуха, влаги и различных химических реагентов. В частности, 10% вольфрама, введенного в никель, достаточно, чтобы повысить коррозионную устойчивость последнего в 12 раз! А карбиды вольфрама с добавкой карбидов тантала и титана, сцементированные кобальтом, устойчивы к действию многих кислот - азотной, серной и соляной - даже при кипячении. Им опасна только смесь плавиковой и азотной кислот.
В литейной промышленности, как правило, используются стальные формы для алюминиевых изделий. Производителям приходиться снижать время производственного цикла, чтобы оставаться конкурентоспособными. Поскольку в таких случаях сталь зачастую уже достигает предела своих возможностей, производители прибегают к использованию вольфрама.
Специалисты по материаловедению из Plansee изучили свойства теплостойкой инструментальной стали сорта X37CrMoV5-1 (DIN 1.2343/ASTM) и вольфрамового сплава Densimet ® . Вольфрамовый сплав отличается более высокой коррозионной стойкостью и теплопроводностью.
Теплопроводность
Теплопроводность вольфрамового сплава выше, чем у стали, и она остается стабильной при температуре до 500 °C. Такая превосходная характеристика теплоотдачи обеспечивает более короткие циклы литья .
Кроме того, снижается риск температурного напряжения, термического растрескивания или деформации. Благодаря этому Densimet ® обладает более долгим сроком службы по сравнению со сталью.
Другое преимущество: более быстрое рассеивание тепла обеспечивает значительно более мелкозернистую микроструктуру отливок и улучшенные механические свойства. Для вас это означает меньший процент брака , а для ваших клиентов - идеальные характеристики литых изделий , в том числе высокую прочность и меньшую пористость.
Коррозионная стойкость
Вкладыши для отливок из Densimet ® особенно устойчивы к эрозии и коррозии. Традиционные вкладыши для отливок и литейные стержни особенно подвержены эрозии при впрыске алюминия на высокой скорости. Поскольку вольфрам не вступает в реакцию с расплавом алюминия, вкладыш, сделанный из Densimet ® , можно использовать в четыре раза дольше, чем вкладыши из стали.
Подробные результаты опубликованы в документе Properties and possible improvement of Tungsten Heavy Alloys for Die Casting Application (Свойства и возможные улучшения тяжелых вольфрамовых сплавов для литья в формы), составленном Рафаэлем Кюри (Rafael Cury) и Лораном Дартусом (Laurent Dartus). Соавтор Йоханнес Шрёдер (Johannes Schröder) представит эти результаты исследований в сентябре в Милуоки (США) на конгрессе Die Casting Congress and Tabletop Североамериканской ассоциации литья под давлением (NADCA).
Die Casting Congress and Tabletop
22–24 сентября 2014 г.
Выставочный центр Wisconsin Center в Милуоки/США
Мы изготавливаем из вольфрамовых сплавов Densimet® различные изделия в соответствии с потребностями клиентов, например вкладыши в формы, охлаждающие штифты или литниковые втулки. Densimet® представляет собой сплав чистого вольфрама с легирующими добавками: никелем и железом (Densimet® D185) или молибденом, никелем и железом (Densimet® D2M). Наши специалисты будут рады проконсультировать Вас при выборе материала. Более подробную информацию и контактные данные наших специалистов Вы найдете .
ВОЛЬФРАМОВАЯ СТАЛЬ , железо-вольфрамовый сплав, содержащий некоторое количество С, Si и Мn; иногда в состав вольфрамовой стали входит и Сr. Признаком, по которому вольфрамовая сталь отличается от ферровольфрама, является способность ее обрабатываться в горячем состоянии. Максимальное содержание W в принятых на практике сортах вольфрамовой стали - 20%. Диаграмма равновесия системы железо-вольфрам была изучена японцами Хонда и Мураками и позднее американцем Сайксом (W. Р. Sykes). Согласно этим исследованиям, диаграмма равновесия Fe-W имеет вид, показанный на фиг. 1.
Как видно из этой диаграммы, температура плавления сплавов железо-вольфрам (линия АВС) в интервале химического состава от 0% W до 49% W остается почти постоянной и мало чем отличается от температуры плавления (линия АСЕ) чистого железа. При дальнейшем увеличении содержания W в стали температура плавления сплава резко возрастает. Сплавы железо-вольфрам, содержащие 33% W, при закалке обнаруживают под микроскопом только крупные полиэдры твердого раствора вольфрама в железе (рис. 1).
При медленном же охлаждении сплавов, содержащих ≤33% W, наблюдается вторая фаза (рис. 2). Эта вторая фаза отвечает составу Fe 3 W 2 ; содержание W в ней равно 68,7%. Кривая равновесия Fe-W, приведенная на фиг. 1, показывает, что если сплав с содержанием 20% W закалить при температуре в 1400°, т. е. выше линии BG - кривой, определяющей предел насыщения α-Fe вольфрамом (твердый раствор W в кубической решетке α-Fe), то микроструктура такого сплава будет (аналогично рис. 1) состоять лишь из одних полиэдрических зерен твердого раствора; если же такой сплав (20% W; 80% Fe) выдержать достаточно долго при 1300-1350° и затем закалить при этой температуре, т. е. ниже линии BG, то на фоне крупных полиэдров твердого раствора должны быть видны частички выделившегося из раствора химических соединения Fe 3 W 2 . Сплав с 10% W, в случае закалки при температуре выше 950°, имеет полиэдрическую структуру твердого раствора вольфрама в железе; при закалке того же сплава при температуре 900° и ниже на фоне полиэдров твердого раствора д. б. видны частички выделившегося из раствора Fe 3 W 2 . Если сплав, содержащий 15% W, закалить при 1300° или сплав с содержанием 20% W закалить при температуре свыше 1400°, то структура таких сплавов будет состоять из одних крупных полиэдров; если же нагреть эти закаленные сплавы до температуры 700-800°, т. е. ниже линии BG, и при этих температурах выдержать закаленные сплавы достаточно долгое время, то из пересыщенного твердого раствора выделятся частицы Fe 3 W 2 в виде небольших включений на фоне полиэдров; твердость сплавов при этом заметно возрастет. На помещаемых ниже кривых изменения твердости видно, как значительно увеличивается твердость вольфрамовых сплавов при последующем нагреве их после закалки при 1500°.
Явление старения (aging) вольфрамовых сплавов аналогично старению дюралюминия с той только разницей, что в дюралюминии повышение твердости наблюдается при вылеживании закаленного образца при температуре от 15 до 100°, повышение же твердости вольфрамовых сплавов требует выдержки их при более высокой температуре.
Табл. 1., показывающая изменения твердости железо-вольфрамовых сплавов, закаленных в воде при 1500° и выдержанных затем в течение длительного времени при 700° и 800°, отчетливо подтверждает это явление.
Изменение твердости сплавов находится в полном соответствии с микроструктурой. Микроструктура сплава (20% W и 80% Fe) после закалки в воде при 1500° представляет однородный твердый раствор - единую фазу без каких-либо следов второй фазы - химического соединения Fe 3 W 2 .
Микроструктура такого сплава состоит из светлых полиэдров твердого раствора W в железе. При выдержке такого сплава в течение двух часов при 700° (рис. 3), из сплава начинают выделяться частички Fe 3 W 2 в чрезвычайно дисперсном состоянии; дисперсность столь велика, что даже при увеличении в 1000 раз эти частички почти незаметны для глаза. Как и для дюралюминия, такой структуре отвечает максимальная твердость.
При дальнейшей выдержке при той же температуре до 20 час. (рис. 4) размер выделившихся частичек Fe 3 W 2 возрастает, в соответствии с чем твердость сплава несколько падает (с 330 до 312). При более высокой температуре процесс выделения частичек Fe 3 W 2 из раствора идет с большей быстротой; выделившиеся частицы Fe 3 W 2 имеют больший размер, в соответствии с чем твердость сплава понижается. Так, на микроструктуре сплава с 20% W, закаленного при 1500°, после выдержки при 800° в течение 20 час. (рис. 5), ясно видны отдельные частицы Fe 3 W 2 . В соответствии с этим сплав имеет твердость всего лишь 260.
При длительной выдержке после закалки при более высокой температуре (фиг. 1) твердость сплава д. б. ниже по двум причинам: 1) размер выделившихся частичек Fe 3 W 2 возрастает, 2) абсолютное количество выделяющихся из раствора частиц Fe 3 W 2 при более высоких температурах будет меньше, так как при более высоких температурах в твердом растворе удержится большее количество вольфрама (см. линию BG, фиг. 1). Рис. 6 представляет микроструктуру того же сплава, выдержанного после закалки в течение 1 ч. при 1000°, и ясно иллюстрирует вышеприведенные соображения.
Естественно, что такой сплав, где и количество выделившихся частиц Fe 3 W 2 заметно меньше и размер отдельных частиц достаточно велик, должен обладать незначительной твердостью. Найденное при испытании этого сплава число твердости 180 хорошо согласуется с приведенной здесь микроструктурой.
На фиг. 2 представлено изменение твердости при нагреве сплавов с 15, 20 и 25% W в течение 1 ч. при разных температурах.
На фиг. 3 приведена диаграмма изменения твердости вольфрамовых сплавов при отпуске при 700° в течение разного времени.
Эти диаграммы, резко иллюстрирующие явление вторичной твердости, находятся в полном соответствии с основной диаграммой равновесия системы железо-вольфрам, разъясняющей природу этого явления. В присутствии углерода W вступает с ним в соединение WC. При нормальных условиях карбид вольфрама с цементитом образует двойной карбид, диссоциирующий при температуре выше A С1 (индексы: A C1 , A r1 , А r2 , А r3 , A r4 - см. Железо) на простые карбиды, которые вновь соединяются в двойные карбиды при нагреве, не слишком высоком. При высоких температурах карбид вольфрама, реагируя с железом, может дать Fe 3 W 2 и цементит. Это образование и растворение Fe 3 W 2 в аустените вызывает при охлаждении понижение критических точек вольфрамовой стали, на которое впервые обратил внимание Свинден (Th. Swinden). Он наблюдал, что для вольфрамовой стали, с разным содержанием углерода существует такая определенная температура Т k , что предварительный нагрев до температур ниже T k не отражается на положении критической точки А r1 , тогда как нагрев вольфрамовой стали выше этой температуры вызывает заметное понижение точки А r1 , причем оно будет тем значительнее, чем больше содержание W в стали. Эта определенная температура Т k называется понижающей температурой. На приводимой диаграмме (фиг. 4) представлена кривая понижающей температуры (LT), полученная Свинденом для стали, содержащей 3% W.
Марс (Mars) дает следующее объяснение явлению, изученному Свинденом. Он предполагает, что понижающая температура есть температура кристаллизации аустенита, при которой исчезают последние зародыши отдельных фаз, растворяющихся в аустените. Перекристаллизация аустенита, содержащего посторонние примеси, происходит значительно медленнее, и потому при охлаждении вольфрамовой стали, нагретой выше понижающей температуры, критическая точка A r 1 понижается. Чем больше будет содержание W в стали, тем выше надо будет нагреть сталь, чтобы перевести весь W в растворенное состояние, т. е. тем выше будет понижающая температура и тем значительнее понизится критическая точка А r1 .
Микроструктуру вольфрамовой стали изучали японцы Хонда и Мураками, а также Гилле (Guillet). Согласно этим исследованиям, вольфрамовую сталь можно разбить по структуре на две группы (фиг. 5): сталь перлитную и сталь с двойными карбидами.
К первой группе будет относиться сталь с невысоким содержанием W и С; при повышении содержания того или другого того вольфрамовая сталь принимает структуру второго типа. Излом вольфрамовой стали заметно мельче, чем излом углеродистой стали. Структура вольфрамовой стали становится тем мельче, чем больше содержание W и С в стали.
Значительный удельный вec W (19,3) должен отразиться на удельном весе вольфрамовой стали, как это видно из табл. 2.
Теплопроводность вольфрамовой стали крайне незначительна; поэтому нагревать ее перед ковкой следует осторожно: быстрый нагрев вольфрамовой стали может вызвать образование трещин. Теоретически температура ковки вольфрамовой стали не должна отличаться от температуры ковки углеродистой стали, однако, благодаря значительной твердости вольфрамовой стали в горячем состоянии, практически ковку вольфрамовой стали производят при температуре, которая значительно выше температуры ковки углеродистой стали.
Производство вольфрамовой стали . Вольфрамовая сталь производится главным обр. в электрических печах или в тиглях - в аппаратах, обеспечивающих, с одной стороны, придание стали лучших физических свойств, а с другой - меньший процент угара вольфрама при плавке. На некоторых заводах плавят вольфрамовую сталь и в кислых мартеновских печах небольшого тоннажа. Ферро-вольфрам представляет собой сплав, сравнительно мало угорающий; небольшой процент угара при плавке вольфрамовой стали обусловливается: а) незначительной склонностью вольфрама к окислению; б) большим удельным весом Fe-W, благодаря чему вольфрам не задерживается в шлаке. Техника приготовления вольфрамовой стали не представляет тех затруднений, с какими связано приготовление хромистых сталей. Fe-W вводят в печь небольшими порциями каждый раз после расплавления предыдущей порции: при поспешной даче Fe-W легко наварить на поде печи «козел» вольфрама, расплавление которого значительно затягивает продолжительность плавки. Чтобы по возможности излишне не удлинять плавку при приготовлении стали с высоким содержанием вольфрама, начинают присадку Fe-W (с 80% W) в не вполне раскисленную ванну, ведя параллельно с присадкой его и раскисление стали; незначительное увеличение угара вольфрама при таком методе плавки компенсируется экономией, связанной с сокращением продолжительности плавки. Если количество вводимого в печь Fe-W невелико, то в целях понижения процента угара вольфрама желательно вводить Fe-W после раскисления стали. С целью еще большего сокращения продолжительности плавки некоторые заводы пытались вводить Fe-W с самого начала плавки непосредственно в шихту. Такой метод работы применим лишь в случае загрузки в печь очень чистых шихтовых материалов с незначительным содержанием фосфора . Как правило, вводить Fe-W в печь вместе с шихтой не следует: уменьшение стоимости выплавки не компенсирует понижения качества ответственных вольфрамовых сталей. Вольфрам удобнее вводить в стали в виде ферро-вольфрама (в кусках): температура плавления его ниже температуры плавления металлического вольфрама, имеющего вид порошка; в случае употребления последнего W вводится следующим способом (применявшимся автором на заводе «Электросталь»): металлический порошок вольфрама отвешивают в бракованные железные котелки и в упакованном виде бросают в печь; благодаря большому удельному весу вольфрама котелок успевает потонуть в стали раньше, чем железо котелка расплавится, и вольфрамовый порошок благодаря этому не теряется в шлаке.
Применение вольфрамовой стали .
I. Сталь с содержанием W от 1 до 2,5% применяется: а) в качестве специальной инструментальной стали для резцов и других инструментов, в которых важно сохранить режущую способность острия, б) для клапанов газомоторов, в) для волочильных досок. Сталь этого типа, содержащую около 1% С и от 1,25 до 2% W, рекомендуется подвергать следующей термической обработке: 1) медленный нагрев до 800°, 2) закалка в воде, 3) отпуск при 200-260°.
II. Сталь с содержанием 1,1-1,3% С и 3-6% W применяется в качестве инструмента для окончательной отделки твердых изделий, например, для нарезки резьбы в ружейных стволах. Для сообщения этой стали лучших режущих свойств иногда к ней прибавляют небольшое количество хрома. Булленс (D. Bullens) рекомендует для отделки твердых изделий сталь следующего состава (табл. 3):
Эти стали перед закалкой д. б. нагреты до 930°; нагрев д. б. постепенный, а затем при указанной температуре сталь должна быть выдержана, чтобы мог закончиться процесс растворения карбидов вольфрама; температура, рекомендуемая для закалки специальной стали, колеблется в пределах 840-900°. Если обработку вести в две стадии (растворение карбидов и закалка в собственном смысле слова), то для первой стадии нагрев может быть доведен до 930°, а для второй - до 840-875°.
III. Вольфрам увеличивает не только временное сопротивление, но и сопротивление выгоранию стали от действия пороховых газов; поэтому вольфрамовые стали находят применение как для ружейных стволов (0,5-0,55% С; 1,6-1,9% W), так и для труб гаубичных пушек (0,6-0,7% С; 1-3% W).
IV. Гадфильд отмечает, что сталь с низким содержанием вольфрама (0,75%) применяется для пружин (хотя для этого целесообразнее применять кремнистую сталь).
V. Большое распространение получила вольфрамовая сталь для изготовления постоянных магнитов. Нормальный состав магнитной стали: 0,6-0,75% С; 5-6% W. Марс, изучавший влияние W на магнитные свойства стали, получил следующий результат (табл. 4):
Булленс рекомендует вольфрамовую сталь с 0,7% Сu 5-6% W закаливать без отпуска в воде при 845-860°. Иногда к магнитной вольфрамовой стали прибавляют некоторое количество хрома; такую сталь приходится закаливать не в воде, а в масле. В настоящее время наряду с магнитной вольфрамовой стали применяют хромовую сталь для постоянных магнитов; лучшей же магнитной сталью является кобальтовая сталь.
VI. Высокоуглеродистая вольфрамовая сталь применяется для изготовления волочильных досок. Для волочения мягкой проволоки применяют доски с содержанием С 1,9-2,2% и W в пределах 1,5-3%. Термическая обработка досок сводится к закалке очков (дыр) в воде при 760-790°; отжигается эта сталь путем медленного охлаждения, начиная с 760-790°. Доски средней твердости для протяжки прутков диаметром более 3 мм обычно готовятся из хромовольфрамовой стали следующего состава: 1,9% С; 4% W; 2% Сr; 0,4% Мn. Для протяжки же проволоки очень тонкого сечения применяется хромовольфрамовая сталь с высоким содержанием W; обычный состав ее: 1,9% С; 11,5-12% W; 1,9% Сr; 1,9%-2,0% Мn. Такая сталь закаливается при 820° в масле с последующим отпуском при 160-220°. Обрабатывается она крайне трудно; для отжига ее охлаждают крайне медленно после выдержки при 580-600°.
VII. Значительное распространение получила вольфрамовая сталь для изготовления быстрорежущей стали .
VIII. Сталь для матриц - следующего состава: 0,6-0,65% С; 8,0-9,0% W.