Вольфрам відрізняється від всіх інших металів особливою тяжкістю, твердістю і тугоплавкостью. Щільність вольфраму майже вдвічі більше, ніж свинцю, точніше - в 1,7 рази. За тугоплавкости і твердості вольфрам і його сплави займають вищі місця серед металів. Технічно чистий вольфрам плавиться при 3380 ° С, а кипить лише при 5900 ° С. Така температура - на поверхні Сонця!
А виглядає «король тугоплавкости» досить заурядно. Колір вольфраму значною мірою залежить від способу отримання.
Сплавлений вольфрам - блискучий сірий метал, найбільше нагадує платину. Вольфрамовий порошок - сірий, темно-сірий і навіть чорний.
Майже з усіма металами вольфрам утворює сплави. З усіх сплавів вольфраму найбільше значення придбали вольфрам-містять стали.
Вольфрамові стали йдуть на виробництво танкової броні, оболонок торпед і снарядів, найбільш важливих деталей літаків і двигунів.
Інструмент, виготовлений з вольфрамової сталі, витримує величезні швидкості найінтенсивніших процесів металообробки. Швидкість різання таким інструментом вимірюється десятками метрів в секунду.
На початку ХХ століття вольфрамову нитку стали застосовувати в електричних лампочках: вона дозволяє доводити загострення до 2200 ° С. На цій посаді вольфрам абсолютно незамінний і сьогодні. Це пояснюється двома властивостями: його тугоплавкостью і пластичністю. З одного кілограма вольфраму витягується дріт довжиною 3,5 км, якої достатньо для виготовлення ниток розжарювання 23 тисяч 60-ватних лампочок.
Вольфрам а м (лат. Wolframium), W, хімічний елемент VI групи періодичної системи Менделєєва, порядковий номер 74, атомна маса 183,85.
Природний вольфрам складається з суміші п'яти стабільних ізотопів з масовими числами 180, 182, 183, 184 і 186. Вольфрам був відкритий і виділений у вигляді вольфрамового ангідриду WO3 в 1781 році шведським хіміком К. Шеєле з мінералу тунгстена, пізніше названий шеелитом.
У 1783 році іспанські хіміки брати д 'Елуяр виділили WO3 з мінералу вольфраміту і, відновивши WO3 вуглецем, вперше отримали сам метал, названий ними вольфрамом.
Мінерал вольфрамит був відомий ще Агрікола (16 ст.) І називався у нього «Spuma lupi» - вовча піна (нім. Wolf - вовк, Rahm - піна) у зв'язку з тим, що вольфрам, завжди супроводжуючи олов'яні руди, заважав виплавці олова, переводячи його в піну шлаків ( «пожирає олово як вовк вівцю»). У США і деяких інших країнах елемент називався також «тунгстен» (по-шведськи - важкий камінь).
Вольфрам довго не знаходив промислового застосування. Лише у 2-ій половині 19 ст. почали вивчати вплив добавок вольфраму на властивості стали.
У звичайних умовах вольфрам хімічно стійок. При 400-500 ° С метал помітно окислюється на повітрі до WO3. Пари води інтенсивно окислюють його вище 600 ° С до WO2.
Галогени, сірка, вуглець, кремній, бор взаємодіють з цим металом при високих температурах (фтор з порошкоподібною вольфрамом - при кімнатній). З воднем вольфрам не реагує аж до температури плавлення; з азотом вище 1500 ° С утворює нітрид.
При звичайних умовах вольфрам стійкий по відношенню до соляної, сірчаної, азотної і плавикової кислот, а також до царській горілці; при 100 ° С він слабо взаємодіє з ними; швидко розчиняється в суміші плавикової і азотної кислот. У розчинах лугів при нагріванні вольфрам розчиняється злегка, а в розплавлених лугах при доступі повітря або в присутності окислювачів - швидко; при цьому утворюються вольфрамати.
У з'єднаннях вольфрам проявляє валентність від 2 до 6, найбільш стійкі сполуки вищої валентності.
Вольфрам утворює чотири оксиду: вищий - трехокісь WO3 (вольфрамовий ангідрид), нижчий - двоокис WO2 і два проміжних W10 O29 і W4 O11. Вольфрамовий ангідрид - кристалічний порошок лимонно-жовтого кольору, що розчиняється в розчинах лугів з утворенням вольфраматів. При його відновленні воднем послідовно утворюються нижчі оксиди і вольфрам. Вольфрамовому ангідриду відповідає вольфрамова кислота H2 WO4- жовтий порошок, практично нерозчинний у воді і в кислотах. При її взаємодії з розчинами лугів і аміаку утворюються розчини вольфраматів. При 188 ° С H2 WO4 отщепляет воду з утворенням WO3. З хлором вольфрам утворює ряд хлоридів і оксихлоридов. Найбільш важливі з них: WCl6 (tпл 275 ° С, tkіп 348 ° С) і WO2 Cl2 (tпл 266 ° С, вище 300 ° С сублімує). Вони виходять при дії хлору на вольфрамовий ангідрид у присутності вугілля. З сірої вольфрам утворює два сульфіду WS2 і WS3. Карбід вольфраму WC (tпл 2900 ° C) і W2 C (tпл 2750 ° C) - тверді тугоплавкі сполуки, що утворюються при взаємодії вольфраму з вуглецем при 1000-1500 ° С.
Сировиною для отримання вольфраму служать вольфрамітових і шєєлітовиє концентрати (50-60% WO3). З концентратів безпосередньо виплавляють ферровольфрам (сплав заліза з 65-80% вольфраму), який використовується у виробництві сталі. Для отримання вольфраму, його сплавів і з'єднань з концентрату виділяють вольфрамовий ангідрид. У промисловості застосовують кілька способів отримання WO3. Шєєлітовиє концентрати розкладають в автоклавах розчином соди при 180-200 ° С (отримують технічний розчин вольфрамату натрію) або соляною кислотою (отримують технічну вольфрамову кислоту):
Вольфрамітових концентрати розкладають або спіканням з содою при 800-900 ° С з подальшим вилуговуванням Na2 WO4 водою, або обробкою при нагріванні розчином їдкого натру. При розкладанні лужними агентами (содою або їдким натром) утворюється розчин Na2 WO4. забруднене домішками. Після їх відділення з розчину виділяють H2 WO4. (Для отримання більш грубих, легко фільтровану і відмиваються опадів спочатку з розчину Na2 WO4 осаджують CaWO4. Який потім розкладають соляною кислотою.) Висушена H2 WO4 містить 0,2-0,3% домішок. Прожарювання H2 WO4 при 700-800 ° С отримують WO3. а вже з нього - тверді сплави. Для виробництва металевого вольфраму H2 WO4 додатково очищають аміачним способом - розчиненням в аміаку і кристалізацією паравольфрамат амонію 5 (NH4) 2 O · 12WO3 · n H2 O. Прожарювання цієї солі дає чистий WO3.
Порошок вольфраму одержують відновленням WO3 воднем (а у виробництві твердих сплавів - також і вуглецем) в трубчастих електричних печах при 700-850 ° С. Компактний метал отримують з порошку металокерамічним методом, т. Е. Пресуванням в сталевих прес-формах під тиском 3-5 тс / см 2 і термічною обробкою спресованих заготовок-штабиков. Останню стадію термічної обробки - нагрів приблизно до 3000 ° С проводять в спеціальних апаратах пропусканням електричного струму безпосередньо через штабик в атмосфері водню. В результаті отримують вольфрам, добре піддається обробці тиском (кування, волочіння, прокатки і т.д.) при нагріванні. З штабиков методом бестигельной електронно-променевого зонного плавлення отримують монокристали вольфраму.
Вольфрам широко застосовується в вигляді чистого металу і в ряді сплавів, найбільш важливі з яких - леговані стали, тверді сплави на основі карбіду вольфраму, зносостійкі і жароміцні сплави. Вольфрам входить до складу ряду зносостійких сплавів, використовуваних для покриття поверхонь деталей машин (клапани авіадвигунів, лопаті турбін і ін.). В авіаційній і ракетній техніці застосовують жароміцні сплави вольфраму з іншими тугоплавкими металами. Тугоплавкість і низький тиск пари при високих температурах роблять його незамінним для ниток напруження електроламп, а також для виготовлення деталей електровакуумних приладів в радіоелектроніці і рентгенотехніці. У різних областях техніки використовують деякі хімічні сполуки вольфраму, наприклад, Na2 WO4 (в лакофарбової і текстильної промисловості), WS2 (каталізатор в органічному синтезі, ефективна тверда мастило для деталей тертя).
Тугопл а вкіе мет а лли. з технічної класифікації - метали, що плавляться при температурі вище 1650-1700 ° С. В їх число входять титан Ti, цирконій Zr, гафній Hf (IV група періодичної системи), ванадій V, ніобій Nb, тантал Ta (V група), хром Cr, молібден Mo, вольфрам W (VI група), реній Re (VII група ). Всі ці елементи (крім хрому) відносяться до рідкісних металів, a Re - до розсіяним рідкісних металів. Високою температурою плавлення характеризуються також метали платинової групи і торій, але вони по технічній класифікації не відносяться до тугоплавким металів.
Тугоплавкі метали мають близьке електронна будова атомів і є перехідними елементами з добудовувати oболочкамі. В їх міжатомних зв'язках беруть участь не тільки зовнішні s-електрони, а й d-електронів, що визначає велику міцність міжатомних зв'язків і, як наслідок, високу температуру плавлення, підвищені механічні міцність, твердість, електричний опір. Тугоплавкі метали мають близькі хімічні властивості. Мінлива валентність цих металів обумовлює різноманіття їх хімічних сполук. Вони утворюють металлоподобниє тугоплавкі тверді сполуки.
Вольфрам а мовие спл а ви - сплави на основі вольфраму. Для легування сплавів застосовують метали (Mo, Re, Cu, Ni, Ag і ін.), Оксиди (ThO2), карбіду (TaC) та інші сполуки, які вводять в вольфрам для підвищення його жароміцності, пластичності (при температурах до 500 ° С ), оброблюваності, а також забезпечення необхідного комплексу фізичних властивостей. Вольфрамові сплави отримують методами порошкової металургії або сплавом компонентів в дугових і електронно-променевих печах. У промисловості застосовуються головним чином металокерамічні сплави. За структурою розрізняють 3 групи вольфрамових сплавів: сплави (тверді розчини), псевдосплави з сполуками і псевдосплави з металами.
Реній в твердому розчині на основі W істотно підвищує низькотемпературну пластичність і відповідно оброблюваність. Максимальної пластичністю володіють сплави вольфраму з 20-28% Re. При подальшому збільшенні вмісту Re пластичність знову починає падати через виділення надлишкової # 963; - фази. Крім підвищеної пластичності, сплави W - Re відрізняються високою жароміцних. Незважаючи на те, що реній є рідкісним і дорогим металом, такі сплави ще в 50-х рр. ХХ століття почали використовуватися в електровакуумних приладах (сплави з 5-30% Re) і в якості термопарних матеріалів, призначених для роботи аж до 2500 ° С.
Псевдосплави вольфраму з нерастворяющуюся в ньому Cu і Ag (вводяться окремо або разом в кількості від 5 до 40%) мають гетерогенну структуру, що складається із зерен W, оточених прошарками Cu і Ag або їх сплаву. Ці матеріали поєднують високу твердість, жароміцність, зносостійкість, опір електроерозії, властиві вольфраму, з хорошою електро- і теплопровідністю Cu і Ag. З них виготовляють електроконтакти і ін. Вольфрам, просочений Ag і Cu, застосовується і при виготовленні ракетних двигунів. Близьку до псевдосплавів вольфраму з міддю і сріблом структуру мають так звані «важкі метали» W з 3-10% Ni і 2-5% Cu. Їх щільність після спікання спресованих заготовок досягає 18 г / см 3. «Важкі метали» використовують як матеріали захисту від гамма-випромінювання в радіотерапії та при виготовленні контейнерів для зберігання радіоактивних препаратів. Велика щільність «важких сплавів» дозволяє застосовувати їх і в інших областях (літакобудуванні, точному приладобудуванні і т. Д.)