К какой группе металлов относится вольфрам?

Вольфрам

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»).

1. Структура
2. Свойства
3. Запасы и добыча
4. Происхождение
5. Применение
6. Классификация
7. Физические свойства
8. Оптические свойства
9. Кристаллографические свойства

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 185 W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный 184 W 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 — что за металл? Свойства и сферы применения

Одним из самых распространенных химических элементов является вольфрам. Он обозначается символом W и имеет атомный номер — 74. Вольфрам относится к группе металлов, имеющих высокую стойкость к изнашиванию и температуру плавления. В периодической системе Менделеева он находится в 6-й группе, обладает схожими свойствами с «соседями» — молибденом, хромом.

Открытие и история

Еще в XVI веке был известен такой минерал, как вольфрамит. Он был интересен тем, что при выплавке олова из руды его пена превращался в шлак и, конечно же, это мешало производству. С тех пор, вольфрамит стали называть «волчья пена» (с нем. Wolf Rahm). Название минерала перешло и на сам металл.

Шведский химик Шееле в 1781 году обрабатывал азотной кислотой металл шеелит. В процессе эксперимента у него получился жёлтый тяжёлый камень — оксид вольфрама (VI). Через два года братья Элюар (испанские химики) получили из саксонского минерала сам вольфрам в чистом виде.

Добывают этот элемент и его руды в Португалии, Боливии, Южной Корее, России, Узбекистане, а наибольшие запасы были найдены в Канаде, США, Казахстане и Китае. В год добывается всего 50 тонн этого элемента, поэтому он дорого стоит. Рассмотрим подробнее, что за металл вольфрам.

Свойства элемента

Как уже было сказано ранее, вольфрам – это один из самых тугоплавких металлов. Он имеет блестящий светло-серый цвет. Его температура плавления 3422°С, а кипения — 5555°C, плотность в чистом виде — 19,25 г/см 3 , а твердость 488 кг/мм². Это один из самых тяжелых металлов, обладающий высокой коррозионной стойкостью. Он практически не растворим в серной, соляной и плавиковой кислотах, но быстро вступает в реакцию с перекисью водорода. Что за металл вольфрам, если он не реагирует с расплавленными щелочами? Вступая в реакцию с гидроксидом натрия и кислородом, он образует два соединения – вольфрамат натрия и обычную воду Н₂О. Интересно, что при повышении температуры вольфрам саморазогревается, тогда процесс происходит намного активнее.

Получение вольфрама

На вопрос о том, к какой группе металлов относится вольфрам, можно ответить, что он входит в категорию редких элементов, как рубидий и молибден. А это, в свою очередь, означает, что для него характерны небольшие масштабы производства. Кроме того, такой металл не получают восстановлением из сырья, сначала он перерабатывается на химические соединения. Как же происходит получение редкого металла?

1. Из рудного материала выделяют необходимый элемент и концентрируют его в растворе или осадке.
2. Следующим шагом, получают чистое химическое соединение путем очистки.
3. Из полученного вещества выделяют чистый редкий металл – вольфрам.

Для обогащения руды используют гравитацию, флотацию, магнитную или электростатическую сепарацию. В результате получают концентрат, который содержит 55-65% ангидрида вольфрама WO₃. Для получения порошка его восстанавливают при помощи водорода или углерода. Для некоторых изделий, на этом процесс получения элемента заканчивается. Так, вольфрамовый порошок используют для приготовления твердых сплавов.

Изготовление штабиков

Мы уже выяснили, что за металл вольфрам, а теперь узнаем, в каком сортаменте он изготавливается. Из порошкового соединения изготавливают компактные слитки – штабики. Для этого используют только порошок, который был восстановлен водородом. Их изготавливают путем прессования и спекания. Получаются довольно прочные, но хрупкие слитки. Иными словами, они плохо поддаются ковке. Для улучшения этого технологического свойства, штабики подвергают высокотемпературной обработке. Из этого изделия изготавливают другой сортамент.

Вольфрамовые прутки

Конечно же, это один из самых распространенных видов продукции из этого металла. Что за вольфрам используется для их изготовления? Это вышеописанные штабики, которые подвергаются ковке на ротационной ковочной машине. Важно отметить, что процесс происходит в нагретом состоянии (1450-1500°С). Полученные прутки применяют в самых различных отраслях промышленности. Например, для изготовления сварочных электродов. Кроме того, вольфрамовые прутки нашли широкое применение в нагревателях. Они работают в печах при температуре до 3000 °С в вакууме, инертном газе или водороде. Прутки также могут быть использованы как катоды электронных и газоразрядных приборов, радиоламп.

Интересно, что сами по себе электроды являются неплавящимися, и поэтому во время сварки, необходима подача присадочного материала (проволока, прут). При расплавлении со свариваемым материалом он создает сварочную ванну. Данные электроды, как правило, применяются для сварки цветных металлов.

Вольфрам и проволока

Вот еще один вид широко распространённой продукции. Вольфрамовая проволока изготавливается из кованых прутков, рассмотренных нами ранее. Волочение производится с постепенным снижением температуры от 1000°С до 400°С. Затем проводят очистку изделия путем отжига, электролитической полировкой или электролитическим травлением. Поскольку вольфрам – тугоплавкий металл, проволока используется в элементах сопротивления в нагревательных печах при температурах до 3000°С. Из нее изготавливают термоэлектрические преобразователи, а также спирали ламп накаливания, петлевые подогреватели и многое другое.

Соединения вольфрама с углеродом

Карбиды вольфрама считаются очень важными с практической точки зрения. Они применяются для изготовления твердых сплавов. Соединения с углеродом имеют положительный коэффициент электросопротивления и хорошую проводимость металла. Карбиды вольфрама образуются двух видов: WC и W₂C. Они различаются своим поведениям в кислотах, а также растворимостью в других соединениях с углеродом.

На основе вольфрамовых карбидов изготавливают два типа твердых сплавов: спеченные и литые. Последние получают из порошкообразного соединения и карбида с недостатком С (менее 3%) путем литья. Второй тип изготавливают из монокарбида вольфрама WC и цементирующего металла-связки, которым может выступать никель или кобальт. Спеченные сплавы получают только методом порошковой металлургии. Порошок цементирующего металла и карбид вольфрама смешивают, прессуют и спекают. Такие сплавы обладают высокой прочностью, твёрдостью износоустойчивостью.

В современной металлургической промышленности их используют для обработки металлов резанием и для изготовления бурового инструмента. Одним из самых распространённых сплавов являются ВК6 и ВК8. Их применяют для изготовления фрез, резцов, сверл и другого режущего инструмента.

Область применения карбидов вольфрама достаточно объёмная. Так, их используют для изготовления:

• бронебойных припасов;
• деталей двигателей, самолетов, космических кораблей и ракет;
• оборудования в атомной промышленности;
• хирургических инструментов.

На Западе особенно широко применяются карбиды вольфрама в ювелирных изделиях, в особенности, для изготовления свадебных колец. Металл смотрится красиво, эстетично, его легко обрабатывать.

Это объясняется тем, что они невероятно износоустойчивы. Чтобы поцарапать такое изделие, придется приложить немало усилий. Даже через несколько лет, кольцо будет выглядеть как новое. Оно не потускнеет, не повредится рельефный узор, да и полированная часть не потеряет своего блеска.

Вольфрам и рений

Сплав этих двух элементов довольно широко применяется для изготовления высокотемпературных термопар. Вольфрам – какой металл? Как и рений, это жаропрочный металл, а легирование элементов снижает это свойство. Но что, если взять два практически одинаковых вещества? Тогда температура их плавления снижаться не будет.

Если использовать рений в качестве присадки, будет наблюдаться повышение жаропрочности и пластичности вольфрама. Данный сплав получают методом плавки в порошковой металлургии. Термопары, изготавливаемые из этих материалов, являются жаропрочными и могут измерять температуру больше 2000°С, но только в инертной среде. Конечно же, подобные изделия стоят дорого, ведь в один год добывается всего 40 тонн рения и только 51 тонна вольфрама.

ВОЛЬФРАМ — самый тугоплавкий металл

Металл получил название от минерала вольфрамита («Wolf Rahm» с немецкого). Минерал весил немало, и в Швеции горняки назвали его «тунг стен» — тяжелый камень.

Во Франции, США и Великобритании для вольфрама используют название «tungsten».

Как его нашли

История открытия связана со шведским химиком К.В. Шееле. Из неизученного минерала он выделил неизвестную «тунгстеновую» кислоту (WO3·H2O). Братья Элюар выделили из её солей новый элемент. Поскольку работали они с вольфрамитом, то назван был элемент вольфрамом.

Свойства

Вольфрам относится к переходным металлам. Имеет серебристо-серый цвет. В периодической таблице Менделеева расположен в VI группе и носит атомный № 74.

Физические свойства металла:

• плотность 19,25 г/см3;
• кристаллическая структура объемноцентрированная, кубическая;
• парамагнитен;
• температура плавления 3422 °C;
• цвет искры — желтый, дает пучок коротких прерывистых искр;
• число стабильных изотопов 4.

Некоторые свойства вольфрама уникальны. Тугоплавкость — визитная карточка вольфрама, ею он отличается от других металлов.

Свойства атома
Название, символ, номер	Вольфра́м / Wolframium (W), 74
Атомная масса (молярная масса)	183,84(1)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe] 4f14 5d4 6s2
Радиус атома	141 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	170 пм
Радиус иона	(+6e) 62 (+4e) 70 пм
Электроотрицательность	2,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	W ← W3+ 0,11 В W ← W6+ 0,68 В
Степени окисления	6, 5, 4, 3, 2, 0
Энергия ионизации (первый электрон)	769,7 (7,98) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	19,25[2] г/см³
Температура плавления	3695 K (3422 °C, 6192 °F)[2]
Температура кипения	5828 K (5555 °C, 10031 °F)[2]
Уд. теплота плавления	285,3 кДж/кг 52,31[3][4] кДж/моль
Уд. теплота испарения	4482 кДж/кг 824 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	24,27[5] Дж/(K·моль)
Молярный объём	9,53 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированная
Параметры решётки	3,160 Å
Температура Дебая	310 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 162,8[6] Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-33-7

Месторождения и добыча

Для промышленной добычи пригодны вольфрамиты (гюбнерит, ферберит) и шеелит.

• штокверковый вольфрамитовый;
• штокверковый шеелитовый;
• жильный вольфрамитовый;
• скарново-шеелитовый.

Крупнейшими запасами вольфрамовых руд обладают:

• Китай;
• Канада;
• Россия;
• Австралия;
• США.

Российские запасы вольфрамовых руд происхождением из коренных месторождений.

Получение

Промышленное получение металла из руды предваряется обогащением. Это дробление, шлифовка, флотация. Затем из концентрата выделяют WO3, который затем восстанавливают до металла водородом при температуре около 700°С.

Компактный вольфрам получают:

1. Методом порошковой металлургии. Достоинство метода — возможность равномерного введения присадок.
2. Электронно-лучевая плавка, или плавка в электро-дуговых печах. Достоинство метода — возможность получать крупные (до 3 тонн) заготовки металла.

Сплавы

Присадки меняют характеристики полученных сплавов.

Марка российского сплава	Присадки
ВД-20	80% вольфрама, 20% меди
ВНЖ-95	3% никеля, 2% железа
ВНМ 2-1	2% никеля, 1% меди
ВНЖ 7-3	7% никеля, 3% железа
ВД-30	70% вольфрама, 30% меди
ВНЖ-97.5	1.5% никеля, 1% железа

Плюсы и минусы металла

Преимущества	Недостатки
Электрическое сопротивление	Высокая плотность
Температура плавления	Слабая сопротивляемость окислению
Коэффициент линейного расширения	Ломкость при низких температурах

Применение

В применении тугоплавкого металла соперничают металлообрабатывающая, нефтехимическая, мебельная промышленности.

Вольфрам используют в производства электродов для аргонно-дуговой сварки.

Качественная быстрорежущая сталь почти всегда имеет в составе вольфрам.

Светящаяся нить накаливания в осветительных лампах, аноды и катоды в электронных приборах — это чистый вольфрам.

Победит, известный советский сплав, на 90% состоит из карбида вольфрама (WC). Победитовые сверла известны многим «рукодельным» мужчинам.

Металл входит в состав тяжелых сплавов, которые применяют в производстве бронебойных снарядов, гироскопов для баллистических ракет.

Начали осваивать и ювелиры тяжелый металл — он гипоаллергенный, тяжелый и прочный.

Наночастицы WO3 нашли применение в медицине. Их антимикробные свойства используют для очистки сточных вод. В компьютерной томографии наночастицы WO3 применяют, как контрастный агент.

Цена вопроса

Средняя цена тонны W на конец июня 2020 года составила 24120-24600 долларов США.

Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!

Вольфрам – полезные свойства и особенности металла

Название этого элемента сразу вызывает ассоциации с электрической лампочкой. Нить накаливания, которая светится внутри стеклянной колбы, сделана из этого материала. Это вольфрам.

1. Что представляет собой
2. Как был открыт
3. Старатели
4. Наука
5. Как представлен в природе
6. Физико-химические характеристики
7. Месторождения, добыча
8. Технология получения
9. Номенклатура марок металла
10. Как используется
11. Металл, сплавы
12. Соединения
13. Другие формы
14. Значение для человека
15. Цены

Что представляет собой

Вольфрам – это металл, химический элемент, занимающий ячейку периодической системы Менделеева № 74.

По блеску и сероватому цвету схож с платиной.

Относится к металлам «туговскипающей» и «тугоплавкой» групп. По тугоплавкости уступает только жидкому углероду. Данное свойство позволяет отличить его от других металлов.

Международное обозначение – W (Wolframium).

Как был открыт

Знакомство людей с вольфрамом датируется эпохой Средневековья.

Старатели

Вольфрам получали еще европейские старатели при восстановлении олова. Но его считали «мусором», засоряющим ценный элемент. Под влиянием вольфрамовой руды в процессе восстановления часть олова превращалась в шлак, уменьшая долю чистого вещества.

Отсюда присказка, которая появилась у старателей: «Вольфрам сжирает олово, как волк овечку».

Наука

История открытия вольфрама связана с несколькими учеными-химиками:

• В середине 18 века швед Аксель Фредерик Кронштедт открыл тяжелый металл, названый им Tung Sten (по-шведски – тяжелый камень).
• Через 30 лет за дело взялся его соотечественник, член академии наук страны Карл Шееле. Свободное от работы в аптеке время он отдавал экспериментам в домашней лаборатории. Его считают «отцом» не только вольфрама. В списке также барий, марганец, кислород, хлор. Из вольфрамовой руды (тунгстена) он выделил соль кислоты, не числящейся в реестрах.
• Дальнейшую работу над соединением доверил испанским коллегам братьям Элюар. Которые и получили новый элемент.

Название и символ металла – Wolframium и W – предложил Йенс Якоб Берцелиус.

Этимология названия вольфрама имеет немецкие корни: Wolf Rahm («волчий крем/сливки»).

А тунгстен переименовали в честь ученого – в шеелит.

Как представлен в природе

Самородный цветной металл вольфрам на планете не встречается. Он представлен в виде руды либо минералов.

Руды состоят из соединений вольфрама с железом, марганцем, кальцием, иногда другими элементами, включая редкоземельные.

Минералы – это вкрапления в граниты (до 2%). Из них промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрам с железом и марганцем) и шеелит (с кальцием).

Каждая тонна земной коры содержит 1,30 г вольфрама.

Физико-химические характеристики

Чистый вольфрам – в числе первых по плотности, твердости, первый по температуре плавления и кипения среди металлов. Эти физические свойства дополняет химическая стойкость даже при запредельных температурах.

Свойства атома
Название, символ, номер	Вольфра́м / Wolframium (W), 74
Атомная масса (молярная масса)	183,84(1) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe] 4f14 5d4 6s2
Радиус атома	137 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	170 пм
Радиус иона	(+6e) 62 (+4e) 70 пм
Электроотрицательность	2,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	W ← W3+ 0,11 В W ← W6+ 0,68 В
Степени окисления	+2, +3, +4, +5, +6
Энергия ионизации (первый электрон)	769,7 (7,98) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	19,25 г/см³
Температура плавления	3695 K (3422 °C, 6192 °F)
Температура кипения	5828 K (5555 °C, 10031 °F)
Уд. теплота плавления	285,3 кДж/кг 52,31 кДж/моль
Уд. теплота испарения	4482 кДж/кг 824 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	24,27 Дж/(K·моль)
Молярный объём	9,53 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированная
Параметры решётки	3,160 Å
Температура Дебая	310 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 162,8 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-33-7

При 1580°C легко куется, вытягивается до тонкой проволоки.

Данные преимущества создает структура вещества.

Тугоплавкий прочный металл, светло-серого цвета – вольфрам

На воздухе с относительной влажностью менее 60% сопротивление металла коррозии стопроцентное.

Месторождения, добыча

Месторождения вольфрамовой руды на планете не редкость, запасы оцениваются миллионами тонн.

Крупнейшими залежами располагают КНР, Казахстан, Канада, США. Меньше сырья у России, Португалии, Узбекистана, других стран.

Глобальные объемы производства – 48-51 тысяча тонн вольфрама ежегодно. Безусловный лидер Китай (80%).

Добыча ведется закрытым либо карьерным способом.

Технология получения

Вольфрамовые руды из разных мест добычи содержат 0,3-2,5% оксида металла. Поэтому промышленное получение продукта из руды начинается на обогатительных предприятиях.

Это многоступенчатый процесс:

• Дробление руды.
• Шлифовка.
• Флотация.
• Обжиг.

Содержание полезных компонентов увеличивается до 60%:

• Чистоту концентрата повышают, расщепляя примеси гидроксидом натрия и задействуя метод ионообменной экстракции.
• До порошка восстанавливают при 650-700°C в водородистой среде.

Тугоплавкость оказалась недостатком, исключающим классическую плавку.

Твердые формы создают методом порошковой металлургии:

• Порошок спрессовывают.
• Спекание проводят при 1250-1300°C в водороде.
• Воздействуют электричеством.
• Нагревают до 3000°C, добиваясь монолитного спекания.

Вольфрамовый порошок

Дополнительно металл очищают зонной плавкой.

Номенклатура марок металла

На основе вольфрама или с его участием металлурги выплавляют продукт десятков наименований и марок.

Среди самых распространенных – чистый вольфрам (ВЧ) и сплав с рением (ВР).

Классификация марок вольфрама основывается на составе присадок:

Название марки	Вид присадки
ВА	Алюминий + кремнистая щелочь
ВМ	Торий + кремнистая щелочь
ВИ	Окись иттрия
ВТ	Окись тория
ВЛ	Окись лантана

Как используется

Свойства вольфрама обозначили главного потребителя. Это металлургия. Она создает конечный продукт и исходники для других отраслей промышленности.

Порошковый вольфрам – основа либо компонент твердых, жаропрочных износоустойчивых сплавов, премиальных марок сталей.

Металл, сплавы

Из тугоплавкого металла и сплавов создают широкий ассортимент продукции:

• Узлы и детали авиационных, ракетных двигателей.
• Элементы электровакуумных приборов (кинескопы, нити накаливания).

Нить накаливания из вольфрама

Нагреватели вакуумных печей.

Электроды для аргонно-дуговой сварки. Они не плавятся, создают прочный сварной шов. Пригодны для материалов любого состава (цветные металлы, легированные стали, другие).

Емкости для радиоактивных продуктов. Здесь решающими оказались преимущества металла перед свинцом.

Хирургический инструментарий.

Характеристики металла подошли оборонному комплексу: танковая, торпедная броня, крупнокалиберные снаряды, пули. А также суперскоростные роторы гироскопов, контролирующих траекторию полета баллистических ракет.

Вольфрам в слитках

Соединения

Обширен спектр применения вольфрамовых соединений:

• Без дителлурида невозможно преобразование тепла в электричество.
• Карбид – основа сплавов и композитов для механической обработки металлов и неметаллов. У горнодобытчиков, нефтяников, газовиков – для бурения скважин.
• Сульфид – термостойкая (до 500°C) смазка.
• Трехокись – материал для создания электролита топливных элементов, работающих при повышенных температурах.

Соединения вольфрама закупают производители лаков, красок, текстиля.

Другие формы

Изотоп W184 – компонент сплавов с изотопами урана. Из них делают ракетные двигатели на ядерном топливе.

Радионуклид искусственного происхождения (W185) востребован как детектор излучений (включая рентгеновское) ядерным сегментом физики и медицины.

Значение для человека

Тугоплавкий металл не имеет значения для человека как биологического организма.

Опасность представляет лишь вдыхание вольфрамовой пыли.

На рынке торгуют металлическим вольфрамом (чистота 99%) и полуфабрикатами (пруток, проволока, полоска).

Порядок цены на металл – 50 500$ за тонну. Полуфабрикаты дороже вдвое-втрое.

Свойства и температура плавления вольфрама

Вольфрам — самый тугоплавкий металл. Известны разные марки этого материала, которые обладают своим особенностями, свойствами. Температура плавления вольфрама — одна из главных характеристик этого металла. По ней специалисты определяют в каких отраслях промышленности его лучше использовать.

Вольфрам

Краткое описание

Вольфрам — тугоплавкий металл. В таблице Менделеева его можно найти под номером 74. Характерные качества — серый цвет, естественный металлический блеск.

Во Франции, Великобритании и США этот материал называется tungsten, что переводится как «тяжелый камень».

Структура и характеристики

Кристаллы вольфрама имеют объемноцентрированную кубическую решетку. Основная форма, размеры кристаллов не изменяются, если порошок прессуется при низких температурах.

Атомы в кубической ячейке металла расположены по всем вершинам и внутри самой ячейки. Коэффициент компактности вольфрама — 0,68.

История открытия и изучения

Свое название металл получил от минерала вольфрамит. Его начали добывать в XVI веке. Тогда его называли «волчьей пеной». Вольфрам часто встречался в оловянных рудах, мешал выплавлять этот металл. Он переводил его в пену шлаков.

Первое научное упоминание о нахождении нового химического элемента появилось в 1781 году. Тогда знаменитый химик из Швеции Карл Шееле работал с минералом шеелит. Он обрабатывал его азотной кислотой, в ходе чего получил новый химический элемент с желтым оттенком. Он назвал его «тяжелым камнем». Через два года, братья Элюар получили из саксонского минерала новый металл.

Если сравнивать защиту от ионизирующего излучения из свинца или вольфрама, второй вид металла выигрывает. Готовый защитный слой будет задерживать больше частиц при меньшем весе.

Получение из руды и месторождения

В природе вольфрам можно встретить окисленными отложениями. Они образуются из трехокиси этого металла, которая соединяется с кальцием, марганцем, железом. Иногда в составе можно встретить медь, свинец, торий, некоторые редкоземельные элементы.

Минералы, насыщенные вольфрамом, чаще встречаются в грунтовых породах небольшими вкраплениями. В таком случае средняя концентрация тяжелого металла — до 2%.

Самые крупные месторождения вольфрама находятся в США, Китае, Канаде. Среднее мировое производство за год — 50 тысяч тонн.

Критическая отметка температуры для этого металла — 13610°C. При нагревании до таких показателей он превращается в газ.

Промышленное получение

Получение вольфрама промышленными предприятиями начинается с добычи руды, ее доставки на производство. Следующий этап — выделение триоксида из расходного материала. После этого он проходит процесс восстановления для получения очищенного металлического порошка. Процедуру восстановления проводят под воздействием водорода. При этом сырье нагревается до 700°C. Готовый порошок прессуется, спекается при температуре 1300°C в защитной атмосфере из водорода.

Марки

1. ВР — соединение вольфрама с рением.
2. ВТ, ВИ, ВЛ — к основе добавляется присадка окиси лантана, тория, иттрия.
3. ВРН — металл без присадок. Допускается наличие небольшого количества разных примесей.
4. ВМ — к основе добавляются разные присадки. Основные — кремнещелочные, алюминиевые.
5. МВ — соединение молибдена с вольфрамом. Сохраняется пластичность одновременно с повышением прочности.
6. ВЧ — чистый металл без примесей, присадок.
7. ВА — соединение основы с алюминием, кремнещелочными присадками.

Лампы накаливания не просто так имеют стеклянную герметичную капсулу. Поскольку вольфрам быстро окисляется на открытом воздухе, капсула заполняется инертным газом.

Свойства

Чтобы понять, где лучше применять вольфрам, нужно знать свойства этого металла. Сейчас про этот материал известно достаточно информации, чтобы определить сферы его применения.

Химические

1. Валентность чистого металла — 6. У соединений на его основе она может изменяться от 2 до 5.
2. Молярная масса химического элемента —183,84.
3. Элемент имеет орбиту, состоящую из двух ярусов.

Вольфрам — химически активный металл. Он вступает в реакции с разными веществами с образованием сложных, простых соединений. При нагревании реакции протекают быстрее. Для дополнительного ускорения реакции можно добавить водяные пары.

Физические

1. Цвет — серый.
2. Прозрачность — отсутствует.
3. Металлический блеск — есть.
4. Твердость — 7,5 (показатель указан согласно шкале Мооса).
5. Плотность — 19,3 г/см3.
6. Радиоактивность — 0.
7. Теплопроводность — 173 Вт/(м·К).
8. Электропроводность — 55·10−9 Ом·м.
9. Показатель твердости по Бринеллю — 488 кгс/мм².
10. Теплоемкость — 134,4 Дж/(кг·град).
11. Температура плавления — 3380 °C (показатель зависит от количества примесей).
12. Сопротивление электричеству — 55·10−9 Ом·м (при условии соблюдения температурного режима в 20°C).
13. Температура кипения — около 5555 °C.

Лучше всего металл куется при нагревании до 1600°C.

На основе вольфрама изготавливают тяжелые сплавы. Общее содержание основы может достигать 97%. Готовые сплавы применяются для изготовления контейнеров, в которых будут храниться, переноситься радиоактивные вещества. Главная особенность емкости — возможность поглощения части гамма-излучения.

Сферы применения

Вольфрам применяется при изготовлении:

• нити накаливания;
• электродов для аргонодуговой сварки;
• хирургических инструментов;
• танковой брони, оболочек для снарядов, торпед;
• защитных костюмов, емкостей, листов от проникающего ионизирующего излучения;
• ювелирных украшений.

Преимущества и недостатки

• тугоплавкость;
• высокая прочность;
• применение в разных сферах промышленности;
• стойкость к большим нагрузкам после сильного нагревания;
• экологичность.

Из главных недостатков можно выделить низкую пластичность, окисляемость при нагревании свыше 700°, высокую цену.

Сплавы

Известно множество соединений на основе этого металла. Они применяются в разных сферах промышленности. Виды и сферы их применения:

1. Карбиды — добыча горных пород, бурение скважин.
2. Сульфиды — изготовление высокотемпературной смазки.
3. Дителлурид — производство преобразователей тепла в электричество.

Монокристаллы применяются в ядерной физике.

Остальные соединения используются в качестве пигментов, катализаторов. Они используются при изготовлении высоколегированных сталей, которые нужны для производства рабочих частей разных инструментов.

Чистый вольфрам по плотности можно сравнить с золотом 999 пробы. Раньше мошенники вкладывали стержни этого металла в золотые слитки. Определить подлинность золота без распиливания было невозможно.

Продукция из вольфрама выделяется высоким качеством, уникальными свойствами. Она применяется в разных сферах деятельности, не имеет аналогов среди похожих материалов.

Вольфрам: добыча и производство вольфрама

Вольфрам — название элемента на немецком, которое переводится как «волчьи сливки». Наименование обусловлено химической реакцией, которая возникала при получении олова — металл частично утрачивался, преобразуясь в пенистый шлак, будто волк пожирает добычу. В некоторых языках, в том числе и в английском, прижилась шведская интерпретация tungsten. Этот элемент отличается уникальными свойствами и используется в различных сферах производства.

• Структура
• Свойства
  • Физические
  • Оптические
  • Кристаллографические
• Классификация
• Происхождение
• Запасы и добыча
  • Обогащение руды
  • Восстановление вольфрама
  • Получение монолитного металла
• Производство изделий из вольфрама
• Мировой рынок вольфрама

Структура

Структура кристалла металла представляет собой объемноцентрированную кубическую решетку с отличительным механизмом хрупко-вязкого перехода. Атомы размещаются в центре и по вершинам, то есть одна ячейка вмещает две частицы.

Свойства

Вольфрам — это металл светло-серого цвета с характерным блеском, напоминает платину. Особенность данного элемента заключается в тугоплавкости. Стоит отметить ряд и иных важных свойств.

Физические

Так, металл отличается самой высокой температурой плавления в 3420 °C и кипения в 5555 °C. Также для него характерно следующее:

• плотность вольфрама без примесей составляет 19,25 г/см³;
• имеет повышенную устойчивость к изменениям в вакууме;
• оценка твердости по Бринеллю выражается значением 488 кг/мм²;
• высокая тепло- и электропроводность;
• парамагнетик;
• поддается ковке при температуре в 1,6 тысячи градусов по Цельсию.

Металл по достоинству признается как один из самых тяжелых и твердых.

Оптические

Что касается оптической характеристики, то вольфрам по принятому типу считается изотропным. При рассмотрении по плеохроизму — не плеохроирует. Также он не является флюоресцентным.

Кристаллографические

Металл относят к пространственной категории Im3m с кубической сингонией и гексаоктаэдральной точечной группой.

Классификация

Классификация вольфрама по Никелю-Штрунцу проводится на основе химического состава элемента. В десятом издании металлу было присвоено значение 1.AE.05.

Седьмым изданием Dana группа вольфрам определена как 1.1.38.1.

Происхождение

Как правило, металл в естественной среде представляет собой окисленные сложные соединения с:

• железом;
• марганцем;
• кальцием;
• свинцом;
• медью,

и рядом иных редкоземельных элементов.

В промышленном производстве используется вольфрамит — соединение вольфрамата железа и марганца. Также значение имеет шеелит — вольфрам и кальций.

Обычно кристаллы минерала вкраплены в породы, в связи с чем средняя концентрация металла составляет не более 2 %.

Запасы и добыча

Наибольшие объемы запасов вольфрама в:

• Казахстане;
• Китае;
• США;
• Канаде.

Определены местонахождения также в России и ряде других стран. Промышленное производство данного элемента заключается в трех стадиях:

1. На первой осуществляется обогащение руды, что позволяет получить ангидрит.
2. Второй этап обеспечивает восстановление вольфрама до порошкового состояния.
3. На третьей стадии металл оформляется в монолит.

Стоит рассмотреть процесс в деталях.

Обогащение руды

Итак, вольфрам в природе не встречается в качестве отдельного элемента. Он всегда является составляющей разнообразных соединений. При этом самые богатые руды содержат в себе не более 3 % вольфрама. Поэтому изначально проводится обогащение:

1. Порода дробится и измельчается.
2. Материал обрабатывается с учетом типа руды.
3. С использованием гравитационного метода осуществляется обогащение. Принцип построен на применении двух сил: центробежной и земного притяжения. Таким образом, обеспечивается разделение минералов по размеру, плотности и смачиванию, что позволяет избавиться от пустой породы.
4. Проводится магнитная сепарация вольфрамита для обеспечения чистоты концентрата.

В итоге содержание искомого металла может составлять в среднем 65 % и максимум 85 %.

Еще один вид соединения с производственным назначением — шеелит — очищается по-другому.

Так как он не относится к группе магнитных минералов, сепарация к нему не может быть применена. Поэтому обогащение осуществляется за счет флотации, подразумевающей разделение частиц в водной суспензии. После обработки проводится электростатическая сепарация. Концентрация шеелита в итоге может достигать 90 %.

Руда также может содержать в себе два соединения вольфрама сразу. При данных обстоятельствах используются совмещенные методы обработки с применением флотационных и гравитационных способов.

При необходимости в большем очищении в дополнении применяется ряд инструментов, которые определяются с учетом типа примеси. К примеру, если нужно уменьшить количество фосфора в концентрате, прибегают к обработке в холоде соляной кислотой. Второй вариант с обжигом и дальнейшим использованием кислот позволяет удалить медь и мышьяк.

Если нужно достичь формы растворимого соединения, методы могут быть такими:

• проводят спекание концентрации с избытком соды;
• осуществляют выщелачивание путем извлечения вольфрама содовым раствором при высокой температуре и под давлением;
• обрабатывают газообразным хлором для получения хлорида вольфрама с последующим отделением возгонкой для переработки в элементарный металл.

В результате использования стандартных методов обогащения можно получить триоксид вольфрама, который и применяется в процессе производства металла. Также из данного соединения получается карбид вольфрама — именно он является основой большинства твердых сплавов.

Восстановление вольфрама

Итак, после получения триоксида вольфрама следующий этап производства заключается в восстановлении до состояния металла. Как правило, этот процесс подразумевает необходимость в водородном методе:

1. В печь помещается емкость с соединением.
2. Емкость все время движется, при этом происходит повышение температуры.
3. Подается водород по направлению к триоксиду.

В процессе восстановления повышается насыпная плотность, объем загрузки снижается в два раза. В связи с этим прогон проводится в два этапа, с использованием различных печей.

Первый этап предполагает образование диоксида из триоксида вольфрама.

На втором получается чистый порошок, который просеивают через сетку с отделением крупных частиц для дополнительного перемалывания.

В некоторых случаях для восстановления применяется углерод, который отчасти упрощает процесс, но для производства необходимо наличие высоких температур. Основной недостаток данного метода — реакция угля и иных примесей с вольфрамом, что становится причиной загрязнения материала. Есть и другие способы, но водородный вариант имеет наибольшую применимость.

Получение монолитного металла

Предшествующие стадии производства реализуются уже давно, но для выработки слитков была необходима специальная технология. Из-за основного свойства металла — тугоплавкости — невозможно использование стандартного метода с плавкой и отливкой формы.

Суть применяемого способа — превращение порошка в металл с использованием электрического тока. Процесс проходит в несколько этапов:

1. Металлический порошок спрессовывается.
2. При температуре 1,3 тысячи градусов Цельсия брусок спекается для повышения прочности. Процедура проводится в герметичной печи, куда непрерывно подается водород, который необходим для эффективного восстановления. Он проникает в материал, что обеспечивает создание металлического контакта. В итоге прочность повышается значительно, размер бруска при этом уменьшается до 5 %.
3. Основной этап — сварка. Осуществляется при температуре 3 тысячи градусов Цельсия путем пропуска через брусок электрического тока. Водород в таком случае также обязателен, так как он позволяет избежать окисления. Сила тока определяется с учетом сечения бруска: 10 на 10 миллиметров — 2,5 тысячи ампер, 25 на 25 миллиметров — 9 тысяч ампер. Подаваемое напряжение варьируется от 10 до 20 вольт.

Чтобы получить материал высокой очистки, применяются присадки, которые испаряются при сварке, убирая при этом иные примеси. К примеру, используются окислы щелочных металлов. Если соблюдается температурный режим, можно допиться степени очистки в 99,995 %.

Производство изделий из вольфрама

Монолитный вольфрам характеризуется рядом свойств:

• тугоплавкость;
• отсутствие внутреннего напряжения.
• высокая пластичность;
• ковкость.

• в качестве нагревательных элементов в печах сопротивления;
• для защиты от ионизирующего излучения;
• как основа для тяжелых сплавов;
• для электродов аргонно-дуговой сварки;
• в вакуумных трубках;
• в контейнерах для отходов ядерного производства.

Как показывает практика, в большинстве случаев производство продолжается вытягиванием проволоки, которая активно используется при производстве ламп накаливания.

Мировой рынок вольфрама

Совокупная величина годового производства металла ограничена 50 тысячами тонн. Основная часть приходится на Китай — 41 тысяча тонн. Он же является и главным экспортером. Для сравнения, объемы производства в России ограничены 3,5 тысячами тонн.

При этом добыча металла составляет около 70 % мирового потребления. Треть приходится на вторичную переработку. Обычно в качестве сырья используется лом карбида вольфрама.

Текущие тенденции мирового рынка свидетельствуют об уменьшении объемов спроса на вольфрамовые нити. Подобная статистика обосновывается развитием альтернативных технологий при производстве осветительных приборов. Лампы накаливания активно заменяются приборами, построенными по другой схеме.