تنگستن (ولفرام): خواص، تولید، کاربردها و آلیاژها
تنگستن، فلزی به رنگ نقره‌ای مات است که بالاترین نقطه ذوب را در بین تمام فلزات خالص دارد. این عنصر که با نام ولفْرام نیز شناخته می‌شود (و حرف W در جدول تناوبی از همین نام گرفته شده)، در برابر شکستگی مقاوم‌تر از الماس و بسیار سخت‌تر از فولاد است.
به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد تنگستن – استحکام بالا و مقاومت در برابر دماهای بسیار زیاد – این فلز در بسیاری از کاربردهای تجاری و صنعتی ایده‌آل است.
ویژگی‌های کلیدی تنگستن
تنگستن با داشتن خواص فیزیکی منحصر به فرد، جایگاه ویژه‌ای در صنایع مختلف پیدا کرده است. در اینجا به برخی از مهم‌ترین این ویژگی‌ها اشاره می‌کنیم:
- نماد اتمی: W
- عدد اتمی: 74
- دسته عنصری: فلز واسطه
- چگالی: 19.24 گرم بر سانتی‌متر مکعب (وزن بسیار بالا)
- نقطه ذوب: 3422 درجه سانتیگراد (بالاترین نقطه ذوب در بین فلزات)
- نقطه جوش: 5555 درجه سانتیگراد
- سختی موس: 7.5 (بسیار سخت و مقاوم در برابر خراشیدگی)
تولید تنگستن
تنگستن عمدتاً از دو نوع ماده معدنی به نام‌های ولفْرامیت و شیلیت استخراج می‌شود. با این حال، بازیافت تنگستن نیز حدود 30 درصد از عرضه جهانی را تشکیل می‌دهد. کشور چین بزرگترین تولید کننده این فلز در جهان است و بیش از 80 درصد از عرضه جهانی را تأمین می‌کند.
پس از فرآوری و جداسازی سنگ معدن تنگستن، شکل شیمیایی آن، آمونیوم پاراتنگستات (APT)، تولید می‌شود. APT می‌تواند با هیدروژن حرارت داده شود تا اکسید تنگستن تشکیل شود یا با کربن در دماهای بالاتر از 1050 درجه سانتیگراد واکنش داده و فلز تنگستن تولید کند.
کاربردهای تنگستن
برای بیش از 100 سال، کاربرد اصلی تنگستن به عنوان رشته (فیلامنت) در لامپ‌های رشته‌ای بوده است. پودر تنگستن، که با مقادیر کمی سیلیکات آلومینیوم-پتاسیم آلاییده شده، در دمای بالا تف‌جوشی می‌شود تا رشته سیمی تولید شود که در مرکز لامپ‌هایی قرار می‌گیرد که میلیون‌ها خانه در سراسر جهان را روشن می‌کند.
به دلیل توانایی تنگستن در حفظ شکل خود در دماهای بالا، رشته‌های تنگستن اکنون در طیف وسیعی از کاربردهای خانگی، از جمله لامپ‌ها، نورافکن‌ها، المنت‌های گرمایشی در کوره‌های الکتریکی، مایکروویوها و لوله‌های اشعه ایکس نیز استفاده می‌شوند.
مقاومت این فلز در برابر حرارت شدید، آن را برای استفاده در ترموکوپل‌ها و کنتاکت‌های الکتریکی در کوره‌های قوس الکتریکی و تجهیزات جوشکاری ایده‌آل می‌کند. همچنین، در کاربردهایی که به جرم یا وزن متمرکز نیاز است، مانند وزنه تعادل، وزنه‌های ماهیگیری و دارت، اغلب از تنگستن به دلیل چگالی بالایش استفاده می‌شود.
کاربید تنگستن: سخت‌تر از فولاد
کاربید تنگستن با پیوند یک اتم تنگستن با یک اتم کربن (WC) یا دو اتم تنگستن با یک اتم کربن (W2C) تولید می‌شود. این فرآیند با حرارت دادن پودر تنگستن با کربن در دمای 1400 تا 1600 درجه سانتیگراد در جریان گاز هیدروژن انجام می‌گیرد.
بر اساس مقیاس سختی موس (معیاری برای سنجش توانایی یک ماده در خراشیدن ماده دیگر)، کاربید تنگستن دارای سختی 9.5 است که تنها کمی کمتر از الماس است. به همین دلیل، تنگستن برای ساخت محصولاتی که در ماشین‌کاری و برش استفاده می‌شوند، تف‌جوشی (فرآیندی که شامل فشردن و حرارت دادن شکل پودری در دماهای بالا است) می‌شود.
نتیجه این فرآیند، موادی هستند که می‌توانند در شرایط دمای بالا و تنش زیاد، مانند مته‌ها، ابزارهای تراشکاری، فرزها و مهمات ضد زره، کار کنند.
کاربید سیمانی با استفاده از ترکیبی از کاربید تنگستن و پودر کبالت تولید می‌شود. این ماده همچنین برای ساخت ابزارهای مقاوم در برابر سایش، مانند ابزارهای مورد استفاده در صنعت معدن، به کار می‌رود. دستگاه حفاری تونلی که برای حفر تونل مانش که بریتانیا را به اروپا متصل می‌کند استفاده شد، در واقع مجهز به تقریباً 100 نوک کاربید سیمانی بود.
آلیاژهای تنگستن: استحکام و مقاومت بیشتر
فلز تنگستن را می‌توان با فلزات دیگر ترکیب کرد تا استحکام، مقاومت در برابر سایش و خوردگی آن‌ها افزایش یابد. آلیاژهای فولادی اغلب به دلیل همین خواص مفید، حاوی تنگستن هستند. فولادهای مورد استفاده در کاربردهای پرسرعت – مانند ابزارهای برش و ماشین‌کاری مانند تیغ اره – حدود 18% تنگستن دارند.
آلیاژهای تنگستن-فولاد همچنین در تولید نازل‌های موتور موشک استفاده می‌شوند که باید خواص مقاومت حرارتی بالایی داشته باشند. از دیگر آلیاژهای تنگستن می‌توان به استلایت (کبالت، کروم و تنگستن) اشاره کرد که به دلیل دوام و مقاومت در برابر سایش، در بلبرینگ‌ها و پیستون‌ها استفاده می‌شود، و همچنین هوی‌مت که از تف‌جوشی پودر آلیاژ تنگستن ساخته شده و در مهمات، لوله‌های دارت و چوب‌های گلف استفاده می‌شود.
سوپرآلیاژهای ساخته شده از کبالت، آهن یا نیکل، همراه با تنگستن، می‌توانند برای تولید پره‌های توربین هواپیما استفاده شوند.
- شیمی
- علم
