Вольфрам: свойства, марки (ВЧ, ВА, ВЛ, ВР), применение в промышленности

Вольфрам — самый тугоплавкий из металлов: он плавится при 3422 °C, кипит при 5555 °C и при этом остаётся прочным там, где сталь, никель и даже молибден давно потекли. Плотность 19,3 г/см³ ставит его в один ряд с золотом и ураном, а низкий коэффициент теплового расширения 4,4×10⁻⁶/К делает деталь стабильной по размеру при нагреве. Промышленность применяет вольфрам как жаропрочный конструкционный материал (нагреватели печей, экраны, тигли) и как электро- и термоэмиссионный материал (сварочные электроды, катоды, аноды рентгеновских трубок). Ниже разбираем физические свойства, марки ВЧ, ВА, ВЛ, ВИ и ВР, стандарты по ГОСТ 23 949–80 и формы поставки — пруток, проволоку, лист и электрод.

Что такое вольфрам

Вольфрам — переходный металл VI группы с атомным номером 74, самый тугоплавкий из всех металлов и один из самых тяжёлых. По совокупности «тугоплавкость плюс плотность плюс низкое расширение» ему нет замены там, где деталь работает при 2000−3000 °C или должна давать максимальную массу в минимальном габарите. Технический вольфрам получают порошковой металлургией: из порошка прессуют штабик, спекают при 2200−3000 °C, затем деформируют ковкой и волочением. Литьём вольфрам почти не обрабатывают — слишком высока температура плавления.

Чистый вольфрам хрупок при комнатной температуре: температура его хрупко-вязкого перехода лежит в области 200−400 °C и зависит от чистоты и степени деформации. Отсюда две линии легирования, которые и породили марочный ряд. Кремнещелочная (алюмосиликатнокалиевая) присадка в марке ВА борется с рекристаллизацией и провисанием нити при нагреве. Окислы редкоземельных металлов (лантана, иттрия, тория) в марках ВЛ, ВИ, ВТ улучшают эмиссию электронов и поведение дуги. В сплавах вольфрам-рений (марки ВР) рений повышает пластичность и термо-ЭДС.

Марочный ряд вольфрама строится по легирующей добавке, а не по системе прочности, как у сталей и бронз:

• ВЧ — вольфрам чистый, без присадок, W не менее 99,92−99,95%.
• ВА — вольфрам с алюмосиликатнокалиевой (кремнещелочной) присадкой, доли процента K, Si, Al.
• ВЛ — вольфрам лантанированный, с окисью лантана La₂O₃ (обычно 1−2%).
• ВИ — вольфрам иттрированный, с окисью иттрия Y₂O₃.
• ВР — сплав вольфрам-рений (ВР5, ВР20, ВР27) с содержанием рения 5−27%.
• ВТ — вольфрам с окисью тория ThO₂; классический электрод, ограничен из-за слабой радиоактивности тория.

Поставляют вольфрам прутком (спечённый и деформированный штабик), проволокой (от 0,013 мм для нитей и спиралей до нескольких миллиметров), листом и пластиной, а также готовыми сварочными электродами диаметром 0,5−10 мм и длиной 50−175 мм.

Свойства вольфрама

Механику вольфрама задаёт не столько марка, сколько форма и состояние поставки: спечённый пруток, деформированный штабик и тонкая тянутая проволока различаются по прочности в разы. Тонкая проволока за счёт наклёпа при волочении даёт рекордные для металлов значения прочности — до 3000−4000 МПа. Пластичность при 20 °C низкая: вольфрам работает как хрупкий материал до температуры хрупко-вязкого перехода.

Ради физических свойств вольфрам и выбирают — тугоплавкости, плотности и размерной стабильности при нагреве.

За цифрами стоит логика применения. Температура плавления 3422 °C — самая высокая среди металлов, поэтому вольфрам держит форму при нагреве, при котором любой другой конструкционный металл теряет прочность. Коэффициент расширения 4,4×10⁻⁶/К близок к расширению стекла и керамики, из-за чего вольфрамовые вводы не разгерметизируют спай при нагреве вакуумного прибора. Плотность 19,3 г/см³ даёт максимальную массу в минимальном объёме — основа для противовесов и балансиров. Работа выхода 4,5 эВ обеспечивает устойчивую термоэлектронную эмиссию у катодов и стабильную дугу у сварочных электродов. Слабое место одно — выше 400−500 °C вольфрам окисляется на воздухе, поэтому его греют в вакууме, водороде или инертной среде.

Где применяют вольфрам

Область применения вольфрама делится по двум его сильным сторонам: тугоплавкость с высокой плотностью и электро-термоэмиссионные свойства.

Высокотемпературная техника берёт чистый вольфрам ВЧ на нагреватели, экраны и тигли вакуумных и водородных печей, работающих при 2000−3000 °C, где молибден и графит уже не годятся. Из вольфрамовой проволоки и ленты делают испарители для вакуумного напыления металлов.

Сварочное производство — массовый потребитель вольфрама. Неплавящиеся электроды для аргонодуговой сварки (TIG, сварка вольфрамовым электродом в инертном газе) делают из марок ВЛ, ВИ и ВТ. Присадка окисла лантана или иттрия облегчает зажигание дуги, снижает эрозию торца электрода и даёт стабильную дугу на постоянном и переменном токе. Наши технологи рекомендуют лантанированные электроды ВЛ как универсальную замену радиоактивным ториевым ВТ.

Электровакуумная и электронная техника использует термоэмиссионные свойства вольфрама: катоды и подогреватели ламп, магнетронов и клистронов, нити накаливания из марки ВА. Кремнещелочная присадка формирует вытянутую крупнозернистую структуру, которая не провисает при рабочей температуре нити 2200−2800 °C — отсюда термин «неослабляющаяся» проволока.

Рентгеновская техника ставит вольфрам на аноды (мишени) рентгеновских трубок: высокий атомный номер даёт интенсивное тормозное излучение, а тугоплавкость держит фокусное пятно, разогреваемое электронным пучком до 2000 °C и выше. Для вращающихся анодов применяют сплав вольфрам-рений на молибденовой подложке.

Измерительная техника берёт сплав вольфрам-рений (ВР5/ВР20, ВР5/ВР27) на термопары до 2200−2500 °C в вакууме и инертной среде — выше предела платинородиевых термопар.

Отдельная область — изделия высокой плотности: противовесы и балансиры в авиации и автоспорте, роторы гироскопов, инерционные грузы, радиационная защита. Здесь работают тяжёлые сплавы на вольфрамовой основе (ВНЖ, вольфрам-никель-железо) плотностью 17−18,5 г/см³. К этой же группе относят композит медь-вольфрам для сильноточных контактов и электродов электроэрозионной обработки твёрдого сплава.

Марки вольфрама и стандарты

У чистого вольфрама нет единого марочного соответствия по международным системам, как у бронз: марку задаёт легирующая добавка и назначение. Ниже — сводная таблица марок с добавкой и областью применения.

Неплавящиеся сварочные электроды нормирует ГОСТ 23 949–80 «Электроды вольфрамовые сварочные неплавящиеся». Он задаёт марки ЭВЧ (чистый вольфрам), ЭВЛ (лантанированный), ЭВИ-1, ЭВИ-2, ЭВИ-3 (иттрированные) и ЭВТ-15 (ториевый), а также диаметры 0,5−10 мм и длины 50−175 мм. Механические характеристики проверяют по ГОСТ 1497–84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение», твёрдость — по ГОСТ 9012–59 «Металлы. Метод измерения твёрдости по Бринеллю», сплошность прутка и проволоки — ультразвуковым методом по ГОСТ 14 782–86 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые».

Марки вольфрамовых сварочных электродов по ГОСТ 23 949–80 соответствуют классам по международному стандарту ISO 6848 «Дуговая сварка. Вольфрамовые электроды. Классификация». Соответствие проверяется по типу легирующего окисла и цветовой маркировке торца.

Прутки, проволоку и лист из вольфрама поставляют по техническим условиям производителя — единого ГОСТа на весь сортамент нет; ТУ регламентируют химсостав, диаметры, допуски и методы контроля. В каталоге СМ чистый вольфрам идёт под собственной маркой линейки AERIS; конкретный номер и класс чистоты технолог подтверждает под марку и сортамент. Соответствие ГОСТ или ТУ закрывается сертификатом с фактическим химсоставом, а ультразвуковой контроль каждой партии отсеивает внутренние дефекты прутка до отгрузки. При несоответствии — замена партии за счёт СМ.

Как выбрать марку вольфрама

Выбор идёт от задачи, а не от прочности, как у конструкционных сплавов. Ключевой вопрос — что деталь делает при нагреве.

Нагреватель, экран, тигель или испаритель для работы в вакууме и водороде — чистый вольфрам ВЧ; здесь важны тугоплавкость и чистота металла, присадки не нужны. Нить накаливания или спираль, которая не должна провисать при 2200−2800 °C, — ВА с кремнещелочной присадкой: её крупнозернистая структура держит форму весь ресурс лампы.

Неплавящийся электрод для аргонодуговой сварки — ВЛ (лантанированный) или ВИ (иттрированный). Лантанированные дают устойчивое зажигание, малую эрозию торца и работают на постоянном и переменном токе; иттрированные ценят за стабильность дуги при больших токах. Ториевый В Т (ЭВТ-15) вытесняют из-за слабой радиоактивности тория.

Датчик температуры выше 2000 °C — термопара из сплава вольфрам-рений (ВР5/ВР20), диапазон до 2200−2500 °C. Максимальная масса в габарите (противовес, балансир, ротор) — тяжёлые сплавы ВНЖ плотностью 17−18,5 г/см³; сильноточные контакты и электроэрозионные электроды — композит медь-вольфрам.

Заключение

Вольфрам — самый тугоплавкий металл с температурой плавления 3422 °C, плотностью 19,3 г/см³ и низким тепловым расширением 4,4×10⁻⁶/К, из-за чего он незаменим при работе на 2000−3000 °C и там, где нужна максимальная масса в габарите. Марку задаёт легирующая добавка: чистый ВЧ — для нагревателей и электровакуумных приборов, ВА с кремнещелочной присадкой — для неослабляющихся нитей накаливания, ВЛ и ВИ с окислами лантана и иттрия — для неплавящихся сварочных электродов по ГОСТ 23 949–80, сплав ВР (вольфрам-рений) — для термопар до 2200−2500 °C. Формы поставки — пруток, проволока, лист и электрод.

Технологи СМ подбирают марку и форму поставки вольфрама под конкретную задачу и подтверждают химсостав сертификатом с ультразвуковым контролем партии.

Статью подготовили

Автор: Сергей Ковриго

Эксперт в области: тугоплавкие металлы, вольфрам и его сплавы

Редактор: Роман Отроков

Эксперт в области: металлургия цветных сплавов

Технолог «Специальные Материалы»