Вольфрамовый лист в Санкт-Петербурге

Вольфрамовый лист

Вольфрамовый лист - плоский полуфабрикат из технически чистого вольфрама либо материала со специальными легирующими добавками. Его используют в вакуумных печах, электронных приборах, ионно-плазменном оборудовании, высокотемпературных экранах, электродах, нагревательных узлах, рентгеновской технике, оснастке для термических процессов.

Главные особенности материала - температура плавления около 3420 °C, плотность примерно 19,25 г/см³, высокая прочность при нагреве, малая скорость испарения в вакууме. При этом лист нельзя считать жаростойким для продолжительной работы на открытом воздухе: при сильном нагреве в присутствии кислорода вольфрам окисляется.

Для российского листового сортамента применяется ТУ 48-19-106-91. Документ предусматривает листы, полосы марок ВА, В-МП, ВРН толщиной примерно 0,1-3,0 мм, шириной 20-140 мм, длиной 50-250 мм.

Основные марки

Для листового вольфрама важно различать марки по способу получения, составу, структурному состоянию.

Марки ВМ, ВТ-7, ВТ-10, ВТ-15, известные по проволочному сортаменту, не следует автоматически переносить на стандартный лист по ТУ 48-19-106-91. Для листовой продукции базовыми обозначениями служат ВА, В-МП, ВРН.

Лист ВА

ВА используют там, где плоская деталь должна сохранять форму при сильном нагреве. Технологические присадки влияют на структуру металла после термического воздействия, повышают сопротивление высокотемпературной деформации.

Из листа ВА делают:

• тепловые экраны;
• нагревательные пластины;
• держатели;
• элементы электровакуумных приборов;
• детали высокотемпературной оснастки.

Для экрана может применяться толщина 0,1-0,5 мм. Более массивные элементы выполняют из материала 0,8-3 мм.

Номинальная толщина сама по себе не определяет допустимую температуру. Нужно учитывать вакуум, газовую среду, нагрузку, крепление, продолжительность термического цикла.

Лист В-МП

В-МП - вольфрамовый материал порошкового происхождения без специальной системы присадок ВА.

Его применяют для плоских электродов, экранов, оснований, токопроводящих деталей, механически обрабатываемых заготовок.

Порошковая технология особенно характерна для вольфрама из-за чрезвычайно высокой температуры плавления. Порошок прессуют, спекают, затем заготовку подвергают горячей деформации, прокатке.

Лист В-МП выбирают, когда требуется прежде всего чистый тугоплавкий металл, а специальное структурное поведение ВА после продолжительного нагрева не является основным требованием.

Лист ВРН

ВРН используют в конструкционных элементах вакуумного оборудования, электротехнических деталях, элементах экспериментальных установок.

В отличие от ВА материал не содержит той же системы специальных добавок, рассчитанной на формирование устойчивой высокотемпературной структуры.

ВРН может быть рационален для неподвижной детали либо полуфабриката под последующую обработку.

При выборе между ВА, ВРН необходимо знать режим работы. Для нагревателя либо экрана при продолжительной высокой температуре требования отличаются от обычной холодной пластины внутри вакуумной камеры.

Размеры вольфрамового листа

По ТУ 48-19-106-91 характерный диапазон листовой продукции составляет:

толщина - 0,1-3,0 мм;

ширина - 20-140 мм;

длина - 50-250 мм.

В коммерческом сортаменте встречаются толщины:

0,10; 0,15; 0,20; 0,25; 0,30; 0,40; 0,50; 0,60; 0,80; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 мм.

Конкретное сочетание толщины, ширины, длины необходимо проверять по технической документации производителя.

Размер 3×140×250 мм нельзя считать доступным только потому, что все три значения отдельно входят в предельный диапазон. Для отдельных толщин максимальная ширина либо длина может ограничиваться технологией производства.

Лист толщиной 0,1-0,2 мм

Тонкие листы используют для тепловых экранов, электронных деталей, пластин малого сечения.

Вольфрам 0,1 мм уже значительно жёстче медной либо алюминиевой фольги сравнимой толщины. При неудачном изгибе он может получить трещину.

Для экранной системы небольшая толщина выгодна благодаря малой тепловой массе. Несколько тонких слоёв, разделённых промежутками, снижают лучистый перенос тепла эффективнее одной массивной стенки в ряде конструкций вакуумных печей.

Лист 0,3-0,5 мм

Диапазон 0,3-0,5 мм удобен для экранов повышенной жёсткости, деталей нагревательных систем, держателей.

Такой материал уже легче фиксировать механически. Можно выполнять отверстия, фасонный раскрой.

Масса 1 м² листа 0,5 мм составляет около 9,63 кг. Несмотря на небольшую толщину, высокая плотность делает вольфрамовый полуфабрикат тяжёлым относительно алюминия, титана, стали.

Лист 0,8-1 мм

Материал толщиной около 1 мм используется для жёстких экранов, электродных деталей, токоподводов, конструкционных пластин вакуумного оборудования.

Один квадратный метр 1 мм весит примерно 19,25 кг.

Заготовка 1×140×250 мм имеет расчётную массу около 0,674 кг.

При такой толщине холодная гибка становится заметно сложнее, особенно если материал имеет рекристаллизованную структуру.

Лист 2-3 мм

Листы 2-3 мм применяют как массивные плоские детали, электроды, основания, держатели, технологическую оснастку.

Материал подходит для фрезерования, сверления, электроэрозионного раскроя.

Заготовка 3×140×250 мм имеет объём 105 см³. При плотности 19,25 г/см³ её теоретическая масса составляет примерно 2,02 кг.

Для детали толщиной 2,5 мм нельзя автоматически брать исходный лист 2,5 мм, если поверхность должна полностью обрабатываться. Нужен технологический припуск.

Масса вольфрамового листа

Для расчёта можно использовать плотность 19,25 г/см³.

Масса одного квадратного метра:

m = 19,25 × t

где t - толщина в миллиметрах.

Расчётная масса листа:

m = t × B × L × 19 250

если все размеры предварительно переведены в метры.

Например, лист 0,5×100×200 мм весит около 0,193 кг.

Высокая температура

Температура плавления вольфрама около 3420 °C - одна из самых высоких среди металлов. Именно поэтому его применяют там, где молибден, никелевые сплавы либо жаростойкие стали уже не обеспечивают нужный режим.

Однако между температурой плавления, допустимой рабочей температурой существует огромная разница.

Реальную эксплуатацию ограничивают:

нагрузка;

ползучесть;

структурные изменения;

испарение;

окисление;

материал креплений;

вакуум либо состав защитной атмосферы.

Для тонкого экрана дополнительно имеет значение провисание под собственной массой.

Вакуумные печи

Одно из основных применений листа - горячая зона высокотемпературных вакуумных печей.

Из материала делают тепловые экраны, отражатели, части нагревателей, токоподводы, крепёжные пластины.

Вакуум позволяет избежать интенсивного окисления. Именно в такой среде раскрывается преимущество высокой температуры плавления.

Для деталей, которые должны сохранять форму после длительной выдержки, часто рассматривают ВА.

Тепловые экраны

Экран уменьшает тепловое излучение от рабочей зоны к охлаждаемому корпусу.

Для этой задачи используются тонкие листы порядка 0,1-0,5 мм. Несколько экранов располагают с промежутками.

Применение массивной плиты вместо тонкого экрана обычно не даёт аналогичного эффекта. Толстый металл увеличивает тепловую массу установки, время нагрева, охлаждения.

Крепёж должен позволять материалу расширяться при изменении температуры.

Нагревательные элементы

Из листа можно вырезать плоский резистивный нагреватель - прямую полосу, П-образный контур, меандр.

Электрическое сопротивление:

R = ρ × L / A

где:

ρ - удельное сопротивление;

L - рабочая длина;

A - площадь поперечного сечения.

Для полосового элемента:

A = b × t.

Если уменьшить толщину с 1 до 0,5 мм при неизменных длине, ширине, сопротивление возрастёт примерно в два раза при одинаковой температуре.

Электроды

Вольфрамовый лист применяют как заготовку для плоских электродов.

Материал выдерживает сильный локальный нагрев, имеет сравнительно низкую скорость испарения в вакууме.

Для электрода важны толщина, геометрия рабочей зоны, плотность тока, теплоотвод.

Тонкая пластина может перегреться локально даже при тугоплавкости исходного металла.

Электронная техника

Листовой вольфрам используется в вакуумных электронных приборах, рентгеновской технике, отдельных катодных либо анодных узлах.

Высокая плотность делает материал интересным также для деталей, где требуется эффективное ослабление рентгеновского излучения при малой толщине.

Для подобных изделий важна чистота исходного металла, качество поверхности, точность геометрии.

Обычный лист ВА по ТУ не следует автоматически использовать вместо специального материала для медицинского либо аналитического оборудования. Там могут действовать дополнительные требования.

Защита от излучения

Плотность примерно 19,25 г/см³ позволяет использовать вольфрам в защитных элементах рентгеновской, гамма-техники.

Лист либо набор пластин применяют в коллиматорах, экранах, локальной защите приборов.

Расчёт толщины выполняют по энергии излучения, требуемой кратности ослабления, геометрии источника.

Нельзя выбирать защиту только по принципу «вольфрам тяжелее свинца». Для ответственной системы нужен расчёт ослабления.

Мишени

Из массивного листового материала можно получать мишени для вакуумного напыления.

Для таких изделий критична чистота - часто 99,95 % W либо выше по спецификации.

Лист В-МП может быть исходной заготовкой, однако мишень требует дополнительных требований к плотности, пористости, зерну, поверхности.

Поэтому обычный прокат нельзя автоматически считать готовой sputtering-target.

Механическая обработка

Вольфрам можно фрезеровать, сверлить, шлифовать, обрабатывать электроэрозионным методом.

Материал твёрдый, хрупкий относительно пластичных цветных металлов. При плохом закреплении возникает вибрация, сколы по кромке.

Особенно осторожно работают с тонкими листами. Локальный зажим способен деформировать карту либо создать трещину около точки крепления.

Для массивного сечения применяют жёсткую оснастку.

Электроэрозионная обработка

Вольфрам электропроводен, поэтому EDM хорошо подходит для сложных фасонных контуров.

Проволочная электроэрозия позволяет получить узкий паз, отверстия, сложную геометрию без значительного механического усилия.

Метод особенно полезен для листа 1-3 мм, если нужно исключить ударные нагрузки обычного штампа.

После EDM при необходимости удаляют поверхностный изменённый слой.

Лазерная резка

Тонкий лист можно раскраивать лазером. Такая технология подходит для экранов, нагревательных контуров, пластин с отверстиями.

Вольфрам имеет высокую температуру плавления, поэтому процесс требует соответствующей мощности, режима.

Край после реза может иметь термически изменённую зону. Если деталь будет испытывать механическую нагрузку либо многократные термоциклы, состояние кромки проверяют отдельно.

Гибка

Холодная гибка вольфрама существенно сложнее гибки меди, алюминия либо низкоуглеродистой стали.

Вероятность разрушения зависит от:

толщины;

структуры;

степени наклёпа;

состояния после отжига;

направления прокатки;

радиуса.

Тонкий материал можно формовать при подходящем состоянии. Массивный лист требует большого радиуса, нередко повышенной температуры.

Рекристаллизованный вольфрам особенно чувствителен к хрупкому разрушению при комнатной температуре.

Сверление

Обычное сверление возможно для ряда листовых заготовок, но требует жёсткой фиксации.

При выходе сверла с обратной стороны существует риск скола.

Для отверстий малого диаметра либо сложной формы предпочтительна электроэрозия.

Если отверстие находится близко к краю, расстояние до кромки следует выбирать с запасом. Узкая перемычка легче разрушается при монтаже, нагреве.

Шлифование

Шлифование применяют для получения точной толщины, плоскостности, требуемой шероховатости.

Это особенно актуально для электродов, мишеней, контактных площадок.

После обработки поверхность очищают от абразивных частиц. Для вакуумной детали также удаляют масла, органические загрязнения.

Сварка

Вольфрам сложно сваривать обычными методами. Высокая температура плавления, чувствительность структуры, тепловые напряжения требуют специальных процессов.

Для тонких деталей применяют электронно-лучевую либо лазерную сварку при разработанной технологии.

В вакуумных печах часто рациональнее механическое крепление.

Используются винты, заклёпки, зажимы из тугоплавких материалов.

Работа на воздухе

Это один из принципиальных вопросов при выборе.

Вольфрам обладает выдающейся тугоплавкостью, но при высокой температуре на воздухе образует оксиды. Поэтому открытая воздушная печь - не типичная среда для такого листа.

Высокотемпературные элементы используют:

в вакууме;

в аргоне;

в водородной среде;

в другой специально рассчитанной атмосфере.

Конкретная совместимость газа с вольфрамом зависит от температуры, чистоты среды, сопутствующих материалов.

Сравнение с молибденовым листом

Вольфрам имеет более высокую температуру плавления: около 3420 °C против примерно 2620 °C у молибдена.

Плотность также значительно выше: около 19,25 против 10,22 г/см³.

Вольфрам тяжелее, хуже поддаётся обычной механической обработке, обычно дороже в изготовлении. Поэтому для многих вакуумных экранов достаточно молибдена.

Вольфрам выбирают там, где требуется ещё более высокая температурная стойкость, плотность либо специальные электрические характеристики.

Сравнение с танталом

Тантал пластичнее при комнатной температуре, хорошо подходит для сложных формованных деталей. Его плотность около 16,6 г/см³, температура плавления примерно 3017 °C.

Вольфрам более тугоплавок, плотнее, но сложнее при холодном формовании.

Для экрана либо нагревателя выбор определяется температурой, атмосферой, требуемой пластичностью.

Поверхность

К листу для вакуумной техники предъявляют повышенные требования по чистоте.

Нежелательны:

глубокие царапины;

трещины;

расслоения;

включения;

заусенцы;

следы масел.

Поверхностный дефект может стать местом концентрации напряжений.

Для нагревательного элемента загрязнение также влияет на газовыделение при первом высокотемпературном цикле.

Хранение

Пластины хранят на ровной опоре, исключая удар по кромке.

Тонкий лист нельзя перегибать для уменьшения занимаемого места. После образования залома вернуть исходную плоскость без риска трещины сложно.

Материал защищают от масел, химических загрязнений.

Для вакуумного производства желательно хранить обработанные заготовки отдельно от углеродистой стали, абразивной пыли.

Как выбрать марку

Для высокотемпературного экрана рассматривают ВА.

Для заготовки из технически чистого металла подходит В-МП.

Для специальных конструкционных деталей может применяться ВРН.

Если проект требует особо чистый W для мишени либо электронного компонента, содержание основного металла задают отдельно - например 99,95; 99,97; 99,99 % согласно спецификации.

Марку нельзя выбирать только по цене либо доступному размеру.

Как выбрать толщину

Для тонких экранов применяют примерно 0,1-0,3 мм.

Для более жёстких отражателей - 0,3-0,8 мм.

Для нагревательных пластин - 0,2-1 мм в зависимости от электрического расчёта.

Для электродов, оснований, деталей под мехобработку рассматривают 1-3 мм в пределах стандартного листового сортамента.

Более толстая заготовка может выпускаться по другой документации, поэтому её уже нельзя без проверки обозначать как стандартный лист по ТУ 48-19-106-91.

Как оформить заказ

Корректная заявка должна содержать марку, толщину, ширину, длину, состояние, норматив.

Например:

Лист вольфрамовый ВА 0,5×100×200 мм, ТУ 48-19-106-91.

Для чистого порошкового материала:

Лист В-МП 1×120×250 мм, ТУ 48-19-106-91.

Для детали:

Лист ВА 2×100×200 мм, раскрой по чертежу, отверстия согласно КД.

Если нужен отожжённый материал либо особое состояние поверхности, это следует указывать отдельно.

Типичные ошибки

Первая ошибка - выбирать вольфрамовый лист только по толщине. ВА, В-МП, ВРН имеют разное назначение.

Вторая - применять марки проволоки ВТ-7, ВТ-10, ВТ-15 как стандартное обозначение листового сортамента без подтверждающей документации.

Третья - считать температуру плавления рабочей температурой детали.

Четвёртая - использовать вольфрамовый экран при сильном нагреве на открытом воздухе, не учитывая окисление.

Пятая - резко гнуть рекристаллизованный лист при комнатной температуре.

Шестая - заказывать заготовку точно по чистовой толщине, если планируется шлифование либо фрезерование.

Седьмая - считать любой чистый лист полноценной мишенью для вакуумного напыления. Для мишени требуются отдельные параметры чистоты, плотности, поверхности.

FAQ

Какие марки применяют для вольфрамового листа

Основные марки стандартного листового сортамента - ВА, В-МП, ВРН.

Какой норматив применяется

Для листов, полос ВА, В-МП, ВРН применяется ТУ 48-19-106-91.

Какие толщины бывают

Для стандартного сортамента характерен диапазон примерно 0,1-3 мм.

Какая ширина бывает

До 140 мм в рамках типового диапазона ТУ.

Какая длина бывает

Типовой диапазон достигает 250 мм.

Сколько весит лист толщиной 1 мм

Один квадратный метр весит примерно 19,25 кг.

Сколько весит лист 0,5 мм

Примерно 9,63 кг/м².

Сколько весит заготовка 1×140×250 мм

Около 0,67 кг.

Для чего применяют ВА

Для тепловых экранов, нагревателей, деталей высокотемпературных вакуумных установок.

Для чего применяют В-МП

Для электродов, конструкционных пластин, экранов, заготовок под механическую обработку.

Можно ли гнуть вольфрамовый лист

Можно только с учётом толщины, структуры, состояния. Материал значительно менее пластичен, чем медь либо алюминий. Для толстого листа может потребоваться нагрев.

Можно ли использовать его при 1000 °C

В вакууме либо подходящей защитной атмосфере такой температурный уровень применяется. На воздухе необходимо учитывать интенсивное окисление.

Можно ли резать лист лазером

Да. Лазерный раскрой используют для тонких экранов, пластин, нагревательных элементов. Для точной детали после резки проверяют состояние кромки.

Чем вольфрамовый лист отличается от молибденового

Вольфрам плотнее, имеет более высокую температуру плавления, сохраняет преимущества при более сильном нагреве. Молибден легче, обычно технологичнее при обработке, поэтому материал выбирают по конкретному температурному режиму.