Вольфрам

Вольфрам - самый тугоплавкий металл. Автор открытия - шведский химик К.В.Шееле, который в 1781 г. из минерала вольфрамит выделил оксид неизвестного металла. Чистый металл был получен через 3 года.

Почти 100 лет вольфрам не находил промышленного применения: высокая температура плавления сдерживала его проникновение в технику. Первый шаг в промышленность был сделан в 1856 г.- легирование инструментальной стали вольфрамом (до 5 %) позволило повысить скорость резания на токарных станках с 5 до 8 м в минуту. Вторая половина XIX в. характеризуется интенсивным развитием станкостроения. Растущий спрос на различные машины требовал от машиностроителей повышения качества машин и их рабочей скорости. Вольфрам в повышении скорости резания дал первый импульс.

К началу XX в. скорости резания были доведены до 35 м в минуту благодаря сложному легированию вольфрамом, молибденом, хромом и ванадием. В дальнейшем скорости резания увеличились до 60 м в минуту, и человек понимал, что это почти предел. А каким путем идти дальше? Ученым помог тот же вольфрам, но уже в виде карбидов в союзе с другими металлами и карбидами других металлов. В настоящее время скорость резания 2000 м в минуту уже не является сенсацией!

Сказал свое веское слово вольфрам и в истории совершенствования электрической лампы накаливания. До 1898 г. угольная нить накаливания господствовала безраздельно. Просто, дешево, но... недолговечно. С 1898 г. появился конкурент - осмий, с 1903 г.- тантал. Но с 1906 г. вольфрам вытеснил всех своих предшественников и превосходно служит человеку и по сей день. Для повышения жаростойкости вольфрам покрывают рением или торием, а иногда, в особо ответственных случаях, нить накаливания изготовляют из сплава вольфрама с рением. Дело в том, что вольфрам при высоких температурах начинает испаряться, т. е. фольфрамовая нить становится все тоньше, тоньше... Рений уменьшает эффект испарения раз в пять!

В начале нашего столетия вольфрам стал применяться в производстве военной техники. Эффективность ряда показателей орудийной стали, броневой защиты, бронебойных снарядов повышалась при легировании стали вольфрамом. Например, пушки 1914 г. выдерживали до 6000 выстрелов, а пушки из стали с вольфрамом (до 10 %,) обеспечивали более 20 000 выстрелов.

Какие же особенные свойства присущи вольфраму, свойства, которые перевели его с самого начала промышленного применения в разряд стратегических металлов? То, что он самый тугоплавкий, мы уже знаем. Именно это свойство позволяет вольфраму работать нитью накаливания, а это температура 2500 °С.

Он обладает большой прочностью при обыкновенной и высокой температурах. Например, при нагреве железа и сплавов на его основе до 800 °С прочность их снижается более чем в 20 раз, а прочность вольфрама - только в 3 раза. При температуре 1500 °С, когда о прочности стали вести речь не имеет смысла, вольфрам имеет прочность железа при обыкновенной температуре.

В настоящее время свыше 80 % мирового производства вольфрама используется в металлургии качественных сталей. Более половины машиностроительных сталей содержат вольфрам (до 1,5%). Например, стали 30ХН2ВФА, 36ХН1ВФА применяются для деталей турбин, редукторов и компрессорных машин (валы, зубчатые колеса, цельнокованые роторы), стали ЗОХНВА, 40ХНВА, 38ХНЗВА - для коленчатых валов, клапанов, шатунов, муфт. В комплексе с другими легирующими элементами вольфрам увеличивает прокаливаемость стали, способствует получению мелкозернистой структуры, повышает твердость и прочность.

Безусловно, вольфрам должен быть основой в создании особо жаропрочных сплавов. Безусловность объясняется тем, что вольфрам является единственным металлом, способным выдерживать значительные нагрузки при температурах выше температуры плавления железа; вольфрам и его соединения обладают высокой прочностью и исключительно высоким модулем упругости, которые превосходят указанные свойства всех остальных тугоплавких металлов и их соединений.

Однако вольфраму при всех его достоинствах присущи и отрицательные качества. Во-первых, жаропрочные вольфрамовые сплавы отличаются пониженным сопротивлением окислению при температурах выше 700 °С, т. е. они требуют соответствующей защиты. Во-вторых, вольфрамовые сплавы имеют низкую пластичность при температурах ниже 500 °С. Кроме того, он исключительно дефицитен. Его необходимо занести в «Красную книгу», иначе вольфрам может практически остаться только в виде тех изделий и деталей, которые человек успел сделать.

Выпускаемый нашей промышленностью сплав вольфрама с 2 % тория - торированный вольфрам - имеет предел прочности 70 МПа при температуре 2420 °С. Это немного, но только пять металлов (включая вольфрам) при этой температуре остаются в твердом состоянии: молибден, имеющий температуру плавления 2625 °С; технеций - пока еще рано говорить о ближайшей перспективе применения сплавов на его основе; рений и тантал - их самые высокопрочные сплавы показывают прочность при указанной температуре на порядок меньше. Так что при температурных условиях эксплуатации 2400- 2600 °С остается один-единственный претендент - вольфрам. Поэтому, если по температурным условиям можно еще обойтись без этого дефицитного металла, ищут заменители вольфрама.

Но есть детали сборочных единиц, где достойные заменители вольфрама пока не найдены. Это нити накаливания осветительных ламп, аноды дуговых ламп постоянного тока, сварочные электроды аргонно-дуговой и атомно-водородной сварок, нагревательные элементы печей сопротивления для температур выше 2000 °С, контакты мощных электрических установок, высокотемпературные (до 2500 °С) термопары.

Вольфрам и его сплавы находят применение в таких отраслях техники, как авиационное двигателестроение, ракетостроение, космическая и атомная техника. Это реактивные сопла, вставки критических сечений ракетных двигателей, носовые части ракет, детали реакторов атомных двигателей, тепловая защита космических летательных аппаратов (защитные свойства вольфрама на 50 % выше, чем свинца).

В производстве сплавов на основе вольфрама есть особенность, обусловленная его тугоплавкостью. При температуре плавления вольфрама многие металлы превращаются в газы или сильно летучие жидкости. Поэтому сплавы, содержащие вольфрам, получают методами порошковой металлургии: смесь порошков металлов прессуют, спекают и подвергают дуговой плавке в электродных печах. Иногда спекают вольфрамовый порошок и пропитывают его жидким расплавом другого металла -. получают так называемые псевдосплавы. Так получают псевдосплавы из вольфрама, меди и серебра для контактов электрических установок; их долговечность в 6-8 раз выше медных контактов.

Перспективы вольфрама удивительны. Во-первых, он, как и никель, работает на «огненных рубежах». Замена никеля вольфрамом приводит к повышению параметров энергетических установок и, как следствие, к увеличению коэффициента полезного действия. Во-вторых, вольфрам выдерживает самые тяжелые условия работы. В 1967 г. читатели журнала «Наука и жизнь» получили сенсационную информацию: «Абсолютный потолок прочности - теоретический предел, предсказанный наукой для земных веществ,- достигнут. Советские физики создали материал, каждый квадратный сантиметр которого выдерживает небывалую нагрузку - 230 т». Такую прочность получили харьковские физики под руководством профессора Р. Гарбера при испытании нитевидного кристалла вольфрама. Следует отметить, что предел прочности «чемпиона» по данному параметру осмия был в 10 раз меньше. «Я думаю,- заявил профессор Р. Гарбер,- нам удалось достичь естественного предела прочности твердых тел вообще».

Таким образом, не только самые жаропрочные сплавы будет возглавлять вольфрам, но и самые высокопрочные.

Мировое производство вольфрама составляет около 100 тыс. т, цена 1 кг 40-60 р.

Металлы: