Reines Wolfram
Reines Wolfram wurde bereits zu Beginn des WIG-Verfahrens in den 1940er Jahren als Schweißelektrode verwendet. Das WIG-Schweißen wurde entwickelt, um Aluminium- und Magnesiumlegierungen effizient zu verbinden. Reines Wolfram war damals sinnvoll, da es von allen Metallen die höchste Schmelztemperatur aufweist.
1. Beständigkeit gegen hohe Temperaturen
Von allen Metallen in ihrer reinsten Form hat reines Wolfram den höchsten Schmelzpunkt (3422 Grad). Dies kann in bestimmten Situationen äußerst vorteilhaft sein (insbesondere im Vergleich zu anderen, häufiger vorkommenden Metallen). Dies macht reines Wolfram beispielsweise zu einem hervorragenden Material für Umgebungen mit hohen Temperaturen – und deshalb wird es in der Luft- und Raumfahrt, der Automatik- und der Bauindustrie so häufig verwendet.
Wolframmetall wird auch regelmäßig zur Herstellung von Legierungen und Superlegierungen verwendet. Sein extrem hoher Schmelzpunkt und seine Beständigkeit gegen thermisches Kriechen tragen zur Festigkeit der Legierung bei und machen sie für thermisch intensivere Anwendungen geeignet, bei denen andere Metalle versagen würden.
2. Hohe Dichte
Reines Wolfram hat eine sehr hohe Dichte. Tatsächlich gehört es mit 19,3 g/cm3 zu den Metallen mit der höchsten Dichte. Die Dichte von Wolfram ist etwa 19,3-mal höher als die von Wasser und 1,7-mal höher als die von Blei.
Aufgrund dieser Eigenschaft kann Wolfram viel mehr Gewicht in einem kleineren Paket aufnehmen – und wird häufig für Anwendungen verwendet, bei denen Masse in kleinen Größen erforderlich ist. Aufgrund der hohen Dichte von Wolfram ist es beispielsweise eine fantastische Option für die Herstellung von Ballast für Rennwagen, Flugzeuge und kinetische Munition – die klein und stromlinienförmig sein müssen, aber dennoch viel Energie übertragen können.
3. Geringe Wärmeausdehnung
Reines Wolfram hat den niedrigsten Wärmeausdehnungskoeffizienten aller reinen Metalle. Im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmaterialien (z. B. Stahl) hat es dadurch den Vorteil einer höheren Stabilität bei extremer Hitze. Es hat eine strukturelle Festigkeit, die von anderen Metallen nicht erreicht wird, und ist besonders nützlich, wenn Steifigkeit bei hohen Temperaturen erforderlich ist – wie etwa bei Schneidwerkzeugen aus reinem Wolframkarbid oder Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken.
4. Elektronische Struktur
Aufgrund seiner Leitfähigkeit und relativen Inertheit wird Wolframmetall häufig in der Elektronikindustrie und in Umgebungen mit hoher Strahlung verwendet. Aus diesem Grund und aufgrund seiner sehr hohen Dichte ist Wolfram eine der wichtigsten Metallquellen für Röntgentargets und andere Abschirmungen gegen hochenergetische Strahlung – da das relativ inerte Material mit sehr hoher Dichte für Röntgenstrahlen schwer zu durchdringen ist. Wolframmetall wird auch häufig in Elektroden, Leitern und Metallfilmen verwendet.
5. Korrosionsbeständigkeit
Reines Wolfram ist äußerst korrosionsbeständig und kann in einer Reihe korrosiver Umgebungen und im Außenbereich eingesetzt werden. Es ist beispielsweise besonders nützlich, wenn eine längere Einwirkung korrosiver Substanzen wie Wasser, Säure oder Lösungsmittel wahrscheinlich ist.
Eine häufig anzutreffende korrosive Umgebung, mit der viele Metalle nicht zurechtkommen, ist die Meeresumgebung. Insbesondere Salzwasser wirkt auf viele Metalle extrem korrosiv. In Legierungen mit anderen Metallen ist Wolframmetall aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit jedoch für solch raue Umgebungen äußerst geeignet und kann daher im Schiffsbau, in Angelködern und Schmuck verwendet werden.
6. Stärke in der Fertigung
Reines Wolfram ist ein extrem robustes Metall mit der höchsten Zugfestigkeit aller reinen Metalle. Dies kann es unter bestimmten Umständen spröde machen, doch im Metallverarbeitungsprozess bedeutet die Festigkeit von reinem Wolfram, dass es zu sehr dünnen Drähten gezogen werden kann, ohne zu brechen.
Das vielleicht offensichtlichste Beispiel hierfür ist die Verwendung von Wolfram in Glühbirnen. Bei dieser speziellen Anwendung müssen extrem dünne Drähte auf extrem hohe Temperaturen erhitzt werden, um Licht auszusenden – und der hohe Schmelzpunkt von Wolfram ist ein entscheidender Faktor, der dies ermöglicht.
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Chemische Eigenschaften von reinem Wolfram
Reines Wolfram befindet sich in der Übergangsgruppe des Periodensystems der Chemie und hat die Oxidationsstufen + 2, + 3, + 4, + 5 und + 6. Es hat eine Ordnungszahl von 74 und eine relative Atommasse von 183,84. Reines Wolfram ist bei Raumtemperatur ein Feststoff, da es eine stabile isometrische Kristallbildung aufweist, die unter Röntgenstrahlen sichtbar ist.
Reines Wolfram ist sehr korrosionsbeständig gegenüber Säuren und reagiert nur auf Salpetersäure und Flusssäure. Außerdem kann es durch alkalische Oxidationsschmelzen wie Kaliumnitrat oder Natriumhydroxid geschwächt werden. Reines Wolfram ist sehr korrosionsbeständig, verbindet sich jedoch bei sehr hohen Temperaturen leicht mit Sauerstoff und bildet Trioxide.
Natürlich ist das Metall eine Mischung aus 5 stabilen Isotopen, nämlich Wolfram-180, Wolfram-182, Wolfram-183, Wolfram-184 und Wolfram-186, die eine prozentuale Zusammensetzung von 0,12 %, 26,5 %, 14,3 %, 30,6 % bzw. 28,4 % haben.
Physikalische Eigenschaften von reinem Wolfram
Reines Wolfram ist in seiner reinsten Form ein glänzendes weißes Metall, das sich leicht verarbeiten lässt. Es enthält jedoch Spuren von Sauerstoff und Kohlenstoff in seiner chemischen Zusammensetzung, was es bei enormer Belastung und Krafteinwirkung sehr spröde macht.
Reines Wolfram ist das schwerste bekannte technische Metall und hat eine sehr hohe Dichte (19,25 g/cm³). Dies ist auf seine dichte Kristallbildung zurückzuführen. Es hat einen sehr hohen Schmelzpunkt von 3 140 Grad und einen hohen Siedepunkt von 5 700 Grad. Reines Wolfram hat den niedrigsten Dampfdruck aller Metalle und mit 400 GPa den höchsten Elastizitätsmodul aller Metalle.
Es weist außerdem einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,4 × 10-6 mm² auf, der etwa dem von Borosilikatglas entspricht. Aus diesem Grund wird es für Glas-Metall-Dichtungen verwendet. Reines Wolfram ist außerdem umweltfreundlich und zersetzt sich nicht so leicht oder zerfällt nicht so leicht.
Herstellung von reinem Wolfram
Reines Wolfram wird in mehreren Schritten aus seinem Erz gewonnen und gereinigt. Das Erz wird schließlich in Wolfram(VI)-oxid (WO3) umgewandelt, das dann mit Wasserstoff oder Kohlenstoff erhitzt wird, um Wolfram in Pulverform herzustellen. Wolfram kann nicht zu Barren gegossen werden, da es einen sehr hohen Schmelzpunkt hat und das Schmelzen kommerziell kaum machbar ist.
Das Wolframpulver wird daher hergestellt, indem es mit kleinen Mengen Nickel oder anderen Edelmetallen vermischt und gesintert wird. Während des Sintervorgangs diffundiert das Nickel und bildet eine Wolframlegierung.
Wolfram kann durch Wasserstoff bei der Reduktion von Wolframfluorid (WF6) extrahiert werden.
WF6 + 3H2 → W + 6HF
Um reine Wolframprodukte herzustellen, beginnen die Hersteller mit dem Sintern und formen die entstandenen Wolframlegierungen zu Knüppeln aus massiven Blöcken oder Stangen. Aus diesen Knüppeln werden dann Wolframfolien, Wolframstangen, Wolframplatten oder Wolframbleche hergestellt. Dies geschieht durch Schleifen, Ziehen, Stanzen oder Formen. Einige der Produkte müssen weiterverarbeitet werden.
Die meisten Produkte aus reinem Wolfram werden in drei verschiedenen Zuständen verkauft, nämlich in schwarzer Form, in der die Schmiermittel- und Oxidschicht erhalten bleibt. Die andere Form ist die gereinigte Form, bei der die Beschichtung mithilfe verschiedener Chemikalien entfernt wurde. Schließlich gibt es noch die geschliffene Form, bei der das Metall mit Diamant-Siliziumkarbid-Maschinen verstärkt wurde, um die Beschichtung zu entfernen und eine bestimmte Glätte und einen gewünschten Durchmesser zu erhalten.
Anwendung von reinem Wolfram
Anwendungen für reines Wolfram
Der Schmelzpunkt von reinem Wolfram ist der höchste aller Metallelemente, die Dichte ist hoch und liegt nahe an Gold, die Härte von Wolfram ist ebenfalls sehr hoch, die Härte von Wolframkarbid liegt nahe an Diamant. Darüber hinaus hat Wolfram auch eine gute elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit sowie einen niedrigen Koeffizienten, was es in der Legierungs-, Elektronik- und Chemieindustrie weit verbreitet findet.
Legierungsfeld
Die Härte von reinem Wolfram ist sehr hoch und kommt der von Gold nahe, daher kann es die Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit von Stahl verbessern, ist ein wichtiges Legierungselement und wird häufig bei der Stahlproduktion verwendet. Gängige Wolframstähle sind Schnellarbeitsstahl, Wolframstahl und Wolfram-Kobalt-Magnetstahl. Der Stahl wird hauptsächlich bei der Herstellung verschiedener Werkzeuge wie Bohrern, Fräsern, Drahtziehsteinen, Matrizen und Formen usw. verwendet.
Hartmetall-Basislegierung
Wolframkarbid ist sehr verschleißfest und feuerfest. Seine Härte kommt der von Diamant nahe und wird häufig in einigen Hartlegierungen verwendet. Derzeit ist Wolframkarbid-basierte Hartlegierung das am häufigsten verwendete Wolfram. Das Karbid ist ein pulvermetallurgisches Produkt, das aus Wolframkarbid-Mikronpulver und Metallbindemittel (wie Kobalt, Nickel, Molybdän) in Vakuumöfen oder Wasserstoff-Reduktionssinteröfen hergestellt wird. Hartlegierungen auf Wolframkarbidbasis können im Allgemeinen in vier Typen unterteilt werden: Wolframkarbid-Kobalt-Wolframkarbid, Titankarbid-Kobalt-Wolframkarbid, Titankarbid, Tantalkarbid-Kobalt und stahlgebundene Hartlegierungen. Hartlegierungen auf Wolframkarbidbasis werden hauptsächlich zur Herstellung von Schneidwerkzeugen, Bergbauwerkzeugen und Drahtziehwerkzeugen usw. verwendet.
Hitze- und verschleißfeste Legierungen
Reines Wolfram hat von allen Metallen den höchsten Schmelzpunkt und ist sehr hart, weshalb es häufig zur Herstellung hitzebeständiger und verschleißfester Legierungen verwendet wird. So werden beispielsweise reine Wolfram-, Kobalt-, Chrom- und Kohlenstofflegierungen zur Herstellung hochfester und verschleißfester Teile wie Ventile von Flugtriebwerken, Turbinenlaufräder usw. verwendet, und reines Wolfram und andere Legierungen aus feuerfesten Metallen werden zur Herstellung hochfester Teile wie Düsen von Luftraketentriebwerken verwendet.
Legierung mit hoher Dichte
Da reines Wolfram eine hohe Dichte und Härte aufweist, ist es das ideale Material für die Herstellung von hochprozentigen Legierungen. Je nach Zusammensetzung, Eigenschaften und Verwendung wird die hochprozentige Legierung in W-Ni-Fe, W-Ni-Cu, W-Co, W-WC-Cu, W-Ag und andere Hauptreihen unterteilt. Diese Legierung weist viele Eigenschaften auf, wie z. B. hohes Gewicht, hohe Festigkeit, Strahlungsabsorptionsfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient, gute Leitfähigkeit, Schweißbarkeit und gute Verarbeitung. Sie wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Militär, bei der Ölförderung, in der elektrischen Instrumentierung, in der Medizin und in anderen Branchen verwendet, z. B. bei der Herstellung von Kontaktmaterial, Ausgleichshammerpanzerung, Flossen, Rudern und Steuerelementen wie Schaltern, Leistungsschaltern, Punktschweißelektroden usw.
Elektronisches Feld
Reines Wolfram wird in der Elektronik- und Energieindustrie aufgrund seiner hohen Plastizität, niedrigen Verdampfungsrate, hohen Schmelztemperatur und hohen Elektronenemissionsfähigkeit häufig verwendet. Aufgrund seiner hohen Lichtleistung und langen Lebensdauer wird Wolfram beispielsweise häufig bei der Herstellung verschiedener Glühlampen verwendet, wie Glühlampen, Halogenlampen. Wolframdraht kann auch bei der Herstellung von elektronischen Röhren mit direkter Glühkathode, Gate und einer Vielzahl elektronischer Instrumente mit Glühkathodenheizung verwendet werden. Aufgrund seiner Eigenschaften eignet sich Wolfram für den Einsatz beim WIG-Schweißen und anderen ähnlichen Materialien.
Chemischer Bereich
Die Verbindung aus reinem Wolfram wird als Katalysator und in anorganischen Farbstoffen verwendet, beispielsweise als Schmiermittel und Katalysator bei der Benzinsynthese, Wolframoxid in der Malerei und Calcium- oder Magnesiumwolfram in fluoreszierendem Pulver.
Andere Felder
Da seine Wärmeausdehnung der von Borosilikatglas ähnelt, wird es zur Herstellung von Glas- oder Metalldichtungen verwendet. Die Empfindlichkeit von Wolfram ist gering, daher wird es zur Herstellung von hochreinem Wolframschmuck verwendet. Darüber hinaus wurde Wolfram auch in der radioaktiven Medizin verwendet, einige Instrumente verwenden auch Wolframdraht.
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