1. Popis materiálu
Čistý wolfram je chemicky čistý refraktorní (žáruvzdorný) kov vyráběný metodami práškové metalurgie. Vyznačuje se absolutně nejvyšším bodem tání ze všech kovových prvků (3422 °C), extrémně vysokou hustotou (19,25 g/cm3) a výjimečnou mechanickou stabilitou za vysokých teplot. Materiál vykazuje vynikající odolnost proti tečení (creep), nízkou tepelnou roztažnost a vysokou schopnost pohlcovat rentgenové a gama záření. Za pokojové teploty je wolfram křehký a jeho tranzitní teplota (DBTT) se pohybuje v závislosti na stupni deformace mezi 150 °C až 400 °C, což vyžaduje specifický přístup k mechanickému zpracování.
2. Chemické složení
| Prvek | W | Mo | Fe | Ni | Cr | C | O | N | H |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Obsah (%) | ≥ 99,95 % | ≤ 0,020 % | ≤ 0,005 % | ≤ 0,003 % | ≤ 0,003 % | ≤ 0,005 % | ≤ 0,005 % | ≤ 0,002 % | ≤ 0,001 % |
3. Výrobní a materiálové normy
- ASTM B760: Standardní specifikace pro wolframové plechy, desky a fólie.
- ASTM F288: Standardní specifikace pro wolframové dráty pro elektronická zařízení a svítidla.
- AMS 7898 / AMS 7899: Letecké a armádní materiálové specifikace pro wolframové desky a tyče.
- ISO 24034: Normy pro svařovací elektrody z čistého wolframu (označení WP) - viz materiálový list TIG elektrod.
4. Vyráběné polotovary
- Kované a tažené tyče: Průměry od 1,0 mm do 150 mm.
- Dráty a mikrodráty: Průměry od 0,01 mm do 1,5 mm (povrch černý, čištěný nebo elektrolyticky leštěný).
- Plechy, desky a fólie: Tloušťky od 0,05 mm (fólie) do 50 mm (těžké desky).
- Terče pro naprašování (Sputtering Targets): Kruhové i planární geometrie pro vakuové povlakování.
- Sintrované polotovary a kelímky: Tvarové výlisky pro tavení křemíku a vzácných zemin.
5. Popis typického použití
- Jaderná energetika a medicína: Stínění proti ionizujícímu záření (rentgen, kolimátory pro radioterapii), komponenty pro fúzní reaktory (první stěna TOKAMAKu).
- Polovodičový průmysl: Iontová implantace, kontaktní vrstvy integrovaných obvodů, substráty výkonové elektroniky.
- Vysokoteplotní technologie: Topné elementy vakuových pecí, tepelné štíty, kelímky pro pěstování monokrystalů.
- Letecký a obranný průmysl: Vyvažovací závaží, trysky raketových motorů, průbojná jádra kinetické munice.
- Svařovací technika: TIG/WIG netavící se elektrody (WP) - viz TIG svařovací wolframové elektrody.
6. Fyzikální vlastnosti
| Vlastnost | Hodnota při 20 °C | Hodnota při 1000 °C | Hodnota při 1500 °C |
|---|---|---|---|
| Hustota (g/cm3) | 19,25 | 19,02 | 18,85 |
| Teplota tavení | 3422 °C (teplota varu 5555 °C) | ||
| Tepelná vodivost (W/m·K) | 173 | 118 | 102 |
| Koeficient tepelné roztažnosti (10-6/K) | 4,5 | 5,1 | 5,5 |
| Měrný elektrický odpor (µΩ·cm) | 5,5 | 33,0 | 49,5 |
7. Mechanické vlastnosti
Mechanické vlastnosti wolframu silně závisí na stupni tváření (kování/válcování) a orientaci zrna. Tenké plechy a dráty vykazují výrazně vyšší pevnost než masivní sintrované tyče.
| Stav materiálu (polotovar) | Teplota zkoušky | Pevnost v tahu Rm (MPa) | Mez kluzu Rp0,2 (MPa) | Tažnost A5 (%) |
|---|---|---|---|---|
| Kovaná tyč (Ø 20-50 mm) | 20 °C | 550 - 700 | 450 - 550 | < 2 % |
| Kovaná tyč (Ø 20-50 mm) | 1000 °C | 200 - 300 | 120 - 180 | 35 - 50 % |
| Válcovaný plech (tl. 1-3 mm) | 20 °C | 850 - 1100 | 750 - 900 | < 3 % |
| Tažený drát (Ø 0,5 mm) | 20 °C | 1800 - 2400 | 1500 - 1900 | 1 - 3 % |
| Modul pružnosti v tahu (E), 20 °C | 400 - 410 GPa (extrémně vysoká tuhost) | |||
8. Popisy a podmínky obrábění
Soustružení
Technologická doporučení: Obrábějte zásadně s předehřevem materiálu plamenem nebo indukčně na 350 - 400 °C. Používejte masivní tuhé upnutí stroje i nástroje pro eliminaci vibrací. Vždy volte kontinuální řez, přerušovaný řez vede k okamžitému zničení břitu.
- Nástroje: Karbidové monolitní nástroje nebo destičky (jakost ISO K10 - K20, submikronové karbidy).
- Geometrie: Úhel čela (γ) = 0° až 5° (neutrální až mírně pozitivní), úhel hřbetu (α) = 5° až 8°, rádius špičky (rε) = 0,4 až 0,8 mm.
- Řezné podmínky: Řezná rychlost vc = 30 - 50 m/min (za tepla), posuv f = 0,1 - 0,2 mm/ot, hloubka řezu ap = 0,5 - 1,5 mm. Chlazení se při předehřevu nepoužívá, při práci za studena (pouze jemné dokončování) se doporučuje silný proud chlorovaných olejů nebo syntetických emulzí.
Frézování
Technologická doporučení: Frézování čistého wolframu je vysoce náročné na stabilitu vřetena. Používejte výhradně sousledné frézování (climb milling), aby se minimalizoval tlak na odchodovou hranu materiálu, kde hrozí masivní vyštipování (chipping). Materiál udržujte předehřátý.
- Nástroje: Tvrdokovové frézy s ultra-jemnou strukturou, ideálně s ochranným nanostrukturovaným povlakem.
- Řezné podmínky: Řezná rychlost vc = 25 - 40 m/min. Posuv na zub fz = 0,03 - 0,08 mm/zub. Hloubka řezu musí být malá.
Vrtání
Technologická doporučení: Vrtání hlubokých děr do wolframu standardními metodami je téměř nemožné kvůli extrémní abrazivitě a křehkosti. Vyžaduje se vysoká tuhost a neustálé vyplachování třísek, aby nedošlo k zakousnutí nástroje a destrukci obrobku. Pro přesné otvory se jednoznačně doporučuje elektroerozivní obrábění (EDM).
- Nástroje: Speciální tvrdokovové vrtáky s vnitřním chlazením nebo diamantové jádrové vrtáky.
- Geometrie: Vrcholový úhel 118° až 120°.
- Řezné podmínky: Nízká řezná rychlost vc = 10 - 15 m/min, posuv f = 0,02 - 0,05 mm/ot.
Řezání
- Mechanické řezání: Klasické řezání pilovým kotoučem nebo pásovou pilou za studena nelze uplatnit. Tenké plechy do tloušťky 0,5 mm lze stříhat za tepla (předehřev na 400 °C), tlustší desky se musí řezat abrazivním kotoučem pod stálým a intenzivním chlazením.
- Elektroerozivní řezání (EDM): Drátové řezání (Wire-EDM) je nejefektivnější a standardní metoda pro dělení wolframu. Nezavádí do materiálu mechanické napětí a eliminuje riziko popraskání.
- Řezání vodním paprskem (AWJ): Lze použít s příměsí velmi ostrého abraziva (granát mesh 80/120) a při sníženém tlaku při najíždění do řezu (prevence delaminace vrstev desky).
Broušení
Technologická doporučení: Broušení je nejvhodnější konvenční metoda pro dosažení přesných rozměrů a vysoké kvality povrchu wolframu za studena. Používejte měkké kotouče s otevřenou strukturou, aby nedocházelo k jejich zanášení (tzv. „zalepení“ kovem). Zabraňte lokálnímu přehřátí, které vyvolává mikrotrhliny.
- Specifikace kotoučů: Kotouče na bázi karbidu křemíku (SiC) nebo diamantové kotouče s pryskyřičnou/kovovou vazbou.
- Chlazení: Nezbytné je trvalé, vysoce intenzivní chlazení vodní emulzí s protikorozními přísadami pro okamžitý odvod tepla.
9. Svařování a spojování
Svařování čistého wolframu je spojeno s kritickými technologickými potížemi. V oblasti svarového spoje a tepelně ovlivněné zóny (HAZ) dochází k plné rekrystalizaci a extrémnímu zhrubnutí zrna. Výsledný svar má tranzitní teplotu křehkosti posunutou vysoko nad pokojovou teplotu, je extrémně křehký a náchylný k praskání za tepla i za studena.
- Svařování elektronovým paprskem (EBW) a laserem (LBW): Preferované metody. Provádí se ve vysokém vakuu. Vyžaduje se masivní celoplošný předehřev obrobku na 500 °C až 600 °C a extrémně pomalé řízené chladnutí.
- Svařování TIG (GTAW): Použitelné pouze v hermetických komorách s ochrannou atmosférou čistého argonu (čistota 5.0 / 99,999 %) nebo hélia. Běžné svařování na vzduchu pod hubicí je nepřípustné z důvodu okamžité kontaminace svaru kyslíkem a dusíkem.
- Mechanické spojování a pájení: V praxi se často dává přednost nýtování, přeplátování nebo vysokoteplotnímu pájení pomocí pájek na bázi čistého paladia, platiny nebo slitin Ni-Cr-B.
10. Tepelné zpracování (žíhání)
Wolfram nesmí být nikdy vystaven teplotám nad 300 °C na volném vzduchu bez ochranné atmosféry. Nad 400 °C začíná rapidní oxidace, a při teplotách nad 700 °C dochází ke katastrofické sublimaci oxidu wolframového (WO3) ve formě hustého žlutobílého kouře, což vede k rychlé degradaci materiálu.
- Žíhání na odstranění vnitřního pnutí (Stress relieving): Provádí se po intenzivním obrábění nebo tváření v teplotním rozsahu 900 °C až 1050 °C po dobu 30-60 minut. Nutné provádět výhradně ve vysokém vakuu (min. 10-4 mbar) nebo v atmosféře čistého suchého vodíku.
- Rekrystalizační žíhání: Probíhá při teplotách 1200 °C až 1450 °C. U čistého wolframu je toto žíhání nežádoucí, protože vede k trvalému zhrubnutí zrn a drastickému snížení mechanické pevnosti a houževnatosti za studena.
11. Doporučené povlakování nástrojů
Vzhledem k extrémní mechanické abrazivitě wolframu trpí řezné nástroje silným difuzním opotřebením na čele a otěrem na hřbetu. Standardní nepovlakovaný tvrdokov podléhá rychlé zkáze.
- PVD povlaky: Nanostrukturované povlaky s vysokou teplotní stabilitou a tvrdostí, jako je AlTiN (Aluminium Titanium Nitride) nebo AlCrN (Aluminium Chromium Nitride). Tyto povlaky vytvářejí na povrchu ochrannou bariéru proti vysokým teplotám vznikajícím v místě řezu.
- CVD a diamantové povlaky (DLC/PCD): Pro jemné dokončovací operace a vrtání za studena jsou ideální vícevrstvé CVD diamantové povlaky nebo nástroje s polykrystalickým diamantem (PCD). Vykazují extrémní tvrdost a extrémně nízký koeficient tření, což snižuje řezný odpor a náchylnost k lepení wolframového prachu na břit.
Související materiály: Wolfram se svou vysokou hustotou ve spojení s mědí, niklem nebo železem vytváří speciální těžké kovy (heavy metals) a kompozitní materiály. Jde o slitiny wolframu s 60-97 % obsahem wolframu, kdy ostatní kovy slouží jako pojivo k udržení slitiny pohromadě a dodávají žádoucí mechanické vlastnosti (zejména tažnost a houževnatost). Podrobné materiálové listy najdete na stránkách wolfram-měď kompozitní materiál (W/Cu) a wolframové slitiny s vysokou hustotou (W-NiFe, W-NiCu).