Miksi volframi sopii äärimmäisiin lämpötiloihin
Volframi sulaa noin 3 422 celsiusasteessa, mikä on korkein kaikista metalleista, ja sen tiheys on noin 19,3 grammaa kuutiosenttimetriä kohden, erittäin alhainen höyrynpaine ja hyvä lämmönjohtavuus. Nämä ominaisuudet antavat volframiupokkaan pitää sulat oksidit, harvinaiset maametallit ja muut reaktiiviset sulat lämpötiloissa, joissa muut tulenkestävät metallit pehmenevät, reagoivat tai haihtuvat. Upokkaiden kaupallisesti puhdas volframi on normaalisti määritelty 99,95 prosentiksi tai korkeammaksi, ja sen molybdeenin, hapen, hiilen ja typen määrä on kontrolloitu. Koska metalli on huoneenlämmössä hauras, upokasta käytetään sen sitkeästä hauraaseen siirtymälämpötilansa yläpuolelle, ja sitä on käsiteltävä ja tuettava varovasti. Standardit, kuten ASTM B760, kattavat volframilevyn, -levyn ja folion, jotka ovat monien upokkaiden lähtömuotoja.
Valmistus puristamalla ja sintraamalla
Yleisin reitti alkaa volframijauheella, joka puristetaan teräs- tai kumimuottiin, joskus kylmällä isostaattisella puristimella tasaisen vihreän tiheyden saavuttamiseksi, ja sitten sintrataan vetyatmosfääriuunissa lämpötiloissa, jotka ovat riittävän korkeita tiivistämään tiivistettä. Sintraus vedyssä vähentää pintaoksideja ja tuottaa tiiviin kappaleen, jossa on hienorakeinen rakenne. Suuremmat upokkaat voidaan valmistaa puristamalla ja sintraamalla seinä ja pohja erikseen ja sitten yhdistämällä ne tai sintraamalla lähes verkkoon ja viimeistelemällä koneistamalla. Lähtöjauheen puhtaus ja sintrausilmakehän puhtaus määräävät lopullisen interstitiaalipitoisuuden, ja tiheys sintrauksen jälkeen on tyypillisesti yli 18 grammaa kuutiosenttimetriä kohden, korkeammat arvot saavutetaan jatkokäsittelyllä.
Koneistus, taonta ja viimeistely
Sintrauksen jälkeen upokkaat viimeistellään timanttihionnalla ja -työstyksellä, koska volframi on kovaa ja hankaavaa eikä sitä voi leikata tavallisilla työkaluilla. Kun tarvitaan suurempaa tiheyttä ja lujuutta, sintrattu kappale voidaan kuumatakoa tai valssata, mikä sulkee jäännöshuokoisuuden ja tasaa raerakenteen. Työstö tulee tehdä hallitusti, koska volframi on loviherkkää ja huono pintakäsittely tai terävä kulma voi aiheuttaa halkeamia. Poraus on hiottu mitoitukseen, reunus viistetty ja pintaa voidaan lakata tai kiillottaa riippuen siitä, pitääkö sulatteen vapautua puhtaasti. Valmiit upokkaat puhdistetaan ja pakataan yleensä kuivissa olosuhteissa, ja analyysitodistuksessa tulee kirjata interstitiaaliset elementit sekä volframimääritys.
Sovellukset kristallin kasvussa ja tyhjiömetallurgiassa
Volframiupokkaat ovat laajalti käytössä sulasäiliönä safiirikiteiden kasvatuksessa Kyropoulosissa ja vastaavissa menetelmissä, joissa upokas pitää sulaa alumiinioksidia yli 2000 celsiusasteessa päiviä, sekä muiden oksidi- ja fluorikiteiden kasvatuksessa. Niitä käytetään kvartsin ja lasin sulatuksessa, harvinaisten maametallien pelkistyksessä ja tyhjiösulatuksessa sekä haihdutuslähteinä ja lämmityselementteinä tyhjiöpinnoitus- ja lämpöhaihdutusprosesseissa. Upokas toimii joka tapauksessa tyhjiössä tai kontrolloidussa ilmakehässä, koska volframi hapettuu nopeasti ilmassa korkeassa lämpötilassa ja käyttöikä riippuu kontaminaation ja lämpöshokin välttämisestä. Yhteensopivuus tietyn sulatteen kanssa tulee varmistaa kokeellisesti ennen tuotantokäyttöä.
Määrittely ja elinkaarikäytäntö
Ostokyselyssä tulee ilmoittaa ulko- ja sisähalkaisija, syvyys, seinämän ja pohjan paksuus, puhtausaste välirajoilla, vaadittu tiheys ja pinnan viimeistely sekä tunnistettava sulatteen koostumus ja käyttöilmapiiri. Lämpökierto tulee pitää hellävaraisena, koska nopea kuumennus ja jäähdytys rasittavat hauraita materiaaleja, ja upokas tulee tukea niin, että se voi laajeta ja supistua vapaasti. Seinämän paksuus valitaan tavallisesti siten, että saadaan riittävä määrä lämmitysjaksoja pikemminkin kuin yksinkertaisesti minimoimaan kustannuksia, koska ohut seinä voi pettää aikaisin. Kunkin käyttöjakson, käsitellyn sulatteen ja halkeamien tai eroosion merkit antavat käyttäjälle mahdollisuuden suunnitella vaihtoa ennen kuin vika keskeyttää pitkän kiteen kasvun.
Usein kysytyt kysymykset
K: Mikä on volframiupokkaiden sulamispiste?
Noin 3 422 celsiusastetta, korkein kaikista metalleista, minkä vuoksi volframi voi sisältää sulatteita, jotka tuhoavat useimmat muut tulenkestävät materiaalit.
K: Kuinka volframiupokkaat valmistetaan?
Volframijauhe puristetaan, usein kylmällä isostaattisella puristimella, sitten sintrataan vedyssä, ja tiheä kappale viimeistellään timanttihionnalla ja -koneistuksella tai kuumataomalla suuremman tiheyden saavuttamiseksi.
K: Mitä puhtautta käytetään volframiupokkaissa?
Kaupallisesti puhdas volframi, jonka pitoisuus on 99,95 prosenttia tai enemmän, on vakiona, ja siinä on tiukasti kontrolloitua molybdeeniä ja interstitiaalisia elementtejä, kuten happea, hiiltä ja typpeä.
K: Voidaanko volframiupokkaita käyttää ilmassa?
Ei. Volframi hapettuu nopeasti korkeassa lämpötilassa ilmassa, joten huolto on suoritettava tyhjiössä tai erittäin puhtaassa inertissä tai pelkistävässä ilmakehässä.
K: Mitkä teollisuudenalat käyttävät volframiupokkaita?
Safiiri- ja oksidikiteiden kasvatus, kvartsin ja lasin sulatus, harvinaisten maametallien ja tyhjiömetallurgia sekä lämpöhaihdutus- ja tyhjiöpinnoitusprosessit.
K: Mitä spesifikaatioon pitäisi sisällyttää?
Mitat, seinämän ja pohjan paksuus, puhtaus välirajoilla, tiheys, pinnan viimeistely, prosessoitava sula ja käyttöilmapiiri sekä tarkastustiedot.