تنگستن چیست و چه کاربردی در صنایع دارد؟

رایج‌ترین کاربرد تنگستن که شاید سن افراد میان‌سال نیز به آن قد می‌دهد و آن را بارها و بارها دیده‌اند، در رشته‌های لامپی قدیمی است که دیگر استفاده از آن به تاریخ پیوسته و منسوخ شده است. دلیل منسوخ شدن آن‌ها نیز عدم کارایی و بازدهی بود، بیشتر به جای اینکه از خود نور تولید کنند، گرما تولید می‌کردند. اما باید بدانید که تنگستن انقدرها هم بی‌مصرف نیست و بخش‌هایی وجود دارند که در آن‌ها بسیار کاربردی است. این فلز نسوز فوق‌العاده قوی از گروه ۶ (VIb) جدول تناوبی است

تنگستن چیست؟

وُلفرام (wolfram) یا تنگستن (Tungsten) عنصری شیمیایی با نماد W و عدد اتمی ۷۴ است که بالاترین نقطه ذوب را در بین تمام فلزات دارد و به همین دلیل برای تقویت سایر فلزات با آن‌ها آلیاژ می‌شود. تنگستن از دسته فلزهای کمیاب و گران‌بها محسوب می‌شود که تقریباً در طبیعت، به‌صورت خالص یافت نمی‌شود، بلکه فقط می‌توان ترکیبات آن را با سایر عناصر پیدا کرد. تنگستن و آلیاژهای آن در بسیاری از کاربردهای دمای بالا، مانند الکترودهای جوشکاری قوس الکتریکی و عناصر گرمایشی در کوره‌های با دمای بالا استفاده می‌شوند.

مقدار تنگستن در پوسته زمین در حدود ۱.۵ گرم در هر تن سنگ تخمین زده می‌شود و کشور چین تولید کننده غالب تنگستن در دنیا است. جالب است که بدانید کشور چین بیش از ۸۰ درصد از کل تنگستن استخراج شده را تولید کرده و نزدیک به دو سوم ذخایر جهان را نیز در خود دارد. بیست درصد باقیمانده را نیز کشورهایی مانند ویتنام، روسیه، کانادا و بولیوی، تولید می‌کنند.

تنگستن نسبتاً در برابر حمله اسیدها مقاوم است، به استثنای مخلوط‌های اسیدهای نیتریک و هیدروفلوئوریک غلیظ، و می‌تواند به سرعت توسط مذاب‌های اکسیدکننده قلیایی، مانند مخلوط‌های ذوب شده نیترات پتاسیم و هیدروکسید سدیم یا پراکسید سدیم، مورد حمله قرار گیرد. با این حال، قلیایی‌های آبی بدون تأثیر هستند. در دمای معمولی نسبت به اکسیژن بی‌اثر است، اما در حرارت قرمز به آسانی با آن ترکیب می‌شود و تری اکسید می‌دهد و در دمای اتاق مورد حمله فلوئور قرار می‌گیرد تا هگزا فلوریدها را بدهد.

آرایش الکترونی تنگستن 

اتم های تنگستن

هر اتم تنگستن از ۷۴ پروتون و ۷۴ الکترون در ترکیب شیمیایی خود تشکیل شده است. پروتون‌های اتم در هسته اتم یافت می‌شوند. الکترون‌های اتم در ۶ لایه مختلف اطراف هسته وجود دارند. لایه بیرونی تنها حاوی ۲ الکترون است.

تاریخچه کشف تنگستن

تنگستن برای اولین بار در سال ۱۷۸۳ میلادی توسط شیمی‌دانان و کانی‌شناسان اسپانیایی خوان خوزه (Juan José) و فائوستو الهویار (Fausto Elhuyar) با احیای زغال چوب اکسید (WO3) مشتق شده از کانی ولفرامیت (wolframite) جدا شد. البته دو سال قبل‌تر و در سال ۱۷۸۱ میلادی، شیمیدان سوئدی، کارل ویلهلم شیله (Carl Wilhelm Scheele)، اسید تنگستیک (tungstic acid) را در ماده معدنی کشف کرده بود که اکنون با نام خود این شیمیدان، شلیت شناخته می‌شود و هموطنش توربرن برگمن به این نتیجه رسید که می‌توان فلز جدیدی از این اسید تهیه کرد. نام‌های تنگستن و ولفرام از زمان کشف آن برای این فلز استفاده شده است، اگرچه در همه جا نماد W غالب است. در استفاده بریتانیایی و آمریکایی، نام تنگستن ترجیح داده می‌شود. در آلمان و تعدادی دیگر از کشورهای اروپایی نام ولفرام پذیرفته شده است.

ویژگی های تنگستن

تنگستن سنگین‌ترین ماده مهندسی با چگالی ۱۹.۲۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب است، بالاترین نقطه ذوب در بین تمامی فلزات را در دمای ۳۴۱۴ درجه سانتی‌گراد و با نقطه جوش ۵۵۵۵ درجه سانتی‌گراد دارد، کمترین فشار بخار را در بین تمام فلزات دارد و بالاترین مدول الاستیسیته فلزات (E = 400GPa) را نیز دارد.

اما مدول الاستیسیته چیست که تنگستن توانسته در بین تمام فلزات بیشترین میزان را داشته باشد؟ مهندسان سازه و طراحان از یک سری اعداد و فرمول های خاص برای محاسبه مقاومت یک سازه استفاده می کنند و مدول الاستیسیته نیز یکی از این اعداد است. مدول الاستیسیته (Modulus of Elasticity) یا مدول یانگ (Young Modulus) یکی از تعاریف مهم در علم مقاومت مصالح است. مدول یانگ یک خاصیت مکانیکی است که نسبت تنش به کرنش محوری را در ناحیه الاستیک ماده، نشان می‌دهد.

سایر ویژگی‌های این فلز عبارتند از:

• بالاترین مقاومت کششی را در دماهای بالاتر از ۱۶۵۰ درجه سانتی‌گراد دارد.
• سخت‌ترین فلز خالص است.
• ضریب انبساط حرارتی پایینی مشابه شیشه بوروسیلیکات دارد و بنابراین آن را برای آب‌بندی مناسب می‌کند.
• در هوا اکسید نمی‌شود و نیازی به محافظت در برابر اکسیداسیون در دماهای بالا ندارد.
• مقاومت در برابر خوردگی آن عالی است و محلول‌های نیتریک، هیدروفلوریک یا اسید سولفوریک به آن حمله نمی‌کنند.
• سازگار با محیط زیست است و تجزیه نمی‌شود.

با توجه به خواص منحصر به فرد تنگستن که در بالا ذکر شدند، نمی‌توان جایگزین مناسبی برای تنگستن در کاربردهای مهمی مانند زمینه‌های مختلف فناوری مدرن، پیدا کرد.

کاربردهای تنگستن

از تنگستن برای کاربردهای تخصصی برای گوشی‌های تلفن همراه، صنایع نظامی، بالستیک (تجهیزات دفاعی)، قطعات خودرو، قطعات هوافضا، حفاری، تجهیزات حفاری و برش، تجهیزات چوب بری، لوازم الکتریکی و الکترونیکی، کاربردهای شیمیایی و سایر مصارف، استفاده می‌شود. جالب است بدانید یکی از فلزاتی که استفاده زیادی در دنیای زیورآلات و مد دارد فلز تنگستـن است. این فلز خاصیت عدم ایجاد حساسیت بر روی پوست را داراست که باعث گردیده از آن در دنیای زیورآلات و بدلیجات به وفور استفاده شود.

تنگستن و زیورآلات

آیا می‌دانستید که در ساخت بعضی از زیورآلات از فلز تنگستن استفاده می‌شود؟ انگشتر تنگستن و دستبند تنگستن از جمله این زیورآلات هستند. دوام بسیار بالا، درخشندگی و وزن زیاد که آن را گزینه‌ای مناسب به خصوص برای آقایان می‌کند، از جمله دلایل محبوبیت تنگستن است که آن را برای بعضی از زیورآلات مناسب کرده است. البته باید بدانید که کاربرد تنگستن در بخش جواهرآلات در مقایسه با فلزی مانند رودیوم که گران ترین فلز جهان نامیده می‌شود، به‌هیچ‌وجه قابل مقایسه نیست. در بحث ارزش قیمتی فلزات می‌توانید نگاهی بیندازید به قیمت فلزات پایه.

مضرات تنگستن

اگر چه تنگستن یک فلز بادوام و مقرون به صرفه است اما داشتن جواهرات و زیورآلات تنگستنی مضرات خاص خود را نیز دارد که عبارتند از:

• عدم تغییر اندازه تنگسن
• خراشنده بودن تنگستن
• شکنندگی تنگستن
• کم ارزش بودن تنگستن نسبت به طلا، نقره یا پلاتین
• بوجود آوردن تحریک پوستی و حساسیت
• طرح‌های بسیار محدود

تنگستن کارباید (کاربید) چیست؟

تنگستن کارباید یا کاربید یک ترکیب شیمیایی است که دارای مقداری مساوی از اتم‌های کربن و تنگستن است. این ماده در حالت پایه‌ای به شکل پودر خاکستری است. تنگستن کارباید در حالت تحت فشار به اشکال مختلفی در خواهد آمد و در ماشین آلات صنعتی، ساینده ها، ابزارهای برش و سایر ابزار آلات مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ترکیب شیمیایی که از واکنش فلز تنگستن با کربن به دست می‌آید حدوداً دو برابر سفت‌تر و محکم‌تر از فولاد است. می‌توان این ترکیب را با گرم کردن اکسید تنگستن در دمای ۹۰۰ درجه سلسیوس یا در مجاورت هیدروژن با دمای ۶۷۰ درجه نیز به وجود آورد. تنگستن کارباید ضد ضربه و ضد سایش است و به همین دلیل انواع تنگستن کارباید ساخته می‌شود مانند:

• مته تنگستن کارباید
• الماس تنگستن کارباید
• بلوک تنگستن کارباید
• تیغچه تنگستن کارباید
• تیغه تنگستن کارباید
• تیغه برش تنگستن کارباید
• میله تنگستن کارباید
• نازل تنگستن کارباید

تفاوت بین تنگستن و کاربید تنگستن

تنگستن به شکل خالص در جواهرات قابل استفاده نیست اما در عوض آن را با یک فلز ترکیب می کنند که تقریبا ۸۵ درصد آن را تنگستن و ۱۵ درصد آن را کربن، نیکل یا کبالت تشکیل می‌دهد و به کاربید تنگستن معروف است. از آنجا که تنگستن بسیار شکننده است مخلوط کردن آن با کربن شکنندگی آن را کاهش می‌دهد و باعث افزایش دوام آن می‌شود. نیکل و کبالت به عنوان اتصال دهنده عمل کرده و باعث می‌شوند که عناصر فلز در کنار هم نگه داشته شوند و شکل دادن به آن را طی فرآیند ساخت میسر می‌کنند. تنگستن بدون کربن فقط یک حلقه فولادی است که دارای سختی ۵/۷ است و هنوز هم قابلیت خراشیدگی و آسیب را دارد. با این حال هنگامی که کربن به تنگستن اضافه می‌شود فلز حاصله به مراتب سخت‌تر و بادوام‌تر می‌شود.

جرم حجمی تنگستن کارباید

کاربید تنگستن حدوداً دو برابر سفت‌تر از فولاد است، به صورتی که مدول یانگ آن تقریباً ۵۳۰ تا ۷۰۰ گیگا پاسکال است و چگالی آن حدوداً دو برابر فولاد است. جرم مولی آن ۱۹۵.۸۶ g·mol−۱ می‌باشد.

روش تولید تنگستن کارباید

تولید تنگستن کاربید از واکنش فلز تنگستن با کربن در دمای بین ۱۴۰۰–۲۰۰۰ درجه سلسیوس بدست می‌آید. تنگستن کاربید را همچنین می‌توان با گرم کردن تنگستن اکسید در مجاورت گرافیت در دمای ۹۰۰ درجه سلسیوس یا در مجاورت هیدروژن در دمای ۶۷۰ سلسیوس و سپس ترکیب کردن با کربن در آرگون در دمای ۱۰۰۰ درجه سلسیوس بدست آورد.

خواص تنگستن کارباید

آلیاژ تنگستن کارباید نقطهٔ ذوب بالایی در حدود ۲۸۷۰ درجه سلسیوس دارد، نقطهٔ جوش آن در ۶۰۰۰ درجهٔ سلسیوس اتفاق می‌افتد. در حالتی که فشار برابر با یک اتمسفر باشد، رسانایی گرمایی برابر با ۱۱۰ W/m.K می‌باشد، و ضریب افزایش طول گرمایی آن ۵٫۵ میکرو متر بر متر در کلوین می‌باشد.

تولید تنگستن کارباید در ایران

تنگستن جزء مهمترین فلزات دیرگداز به شمار می‌آید و با توجه به کاربرد وسیع و استفاده روز افزون تنگستن در صنایع مختلف و همچنین عدم استحصال آن در ایران، سرمایه گذاری بر روی آن ضروری به نظر می‌رسد.

الکترود تنگستن

الکترود تنگستن فلزی سخت با مقاومت جریان حرارتی بالا است و به همین علت از این فلز به عنوان یک الکترود مناسب برای ایجاد قوس الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. تنگستن‌ها می‌توانند تا دمای ۳۴۱۰ درجه سانتی‌گراد را تحمل کرده و دقیقاً همین موضوع دلیل انتخاب این فلز در الکترودهای جوشکاری شده است. الکترود تنگستن قرمز آرگون نیز به صورت گسترده به عنوان الکترود اکسید شده استفاده می‌شود و ماده اصلی تشکیل دهنده آن عنصر تنگستن است.

چراغ های نورپردازی تنگستن

چراغ تنگستن به این دلیل چنین نامیده می‌شود که لامپ‌های آن شامل یک رشته (فیلامان) نازک از فلز تنگستن هستند که هنگام عبور جریان الکتریسیته از آن، داغ و ملتهب شده و نور از خود ساطع می‌کنند. پروژکتور تنگستن و یا چراغ قوه تنگستن نمونه‌هایی از این چراغ‌ها هستند.

پرسش و پاسخ