純タングステン
1940 年代に TIG 溶接法が始まったころ、純粋なタングステンは溶接電極として使用されていました。TIG 溶接はアルミニウムとマグネシウムの合金を効率的に接合するために開発されましたが、当時はすべての金属の中で最も融点が高い純粋なタングステンは理にかなった選択でした。
1. 高温に対する耐性
最も純粋な形態のすべての金属の中で、純粋なタングステンは最も高い融点（3422 度）を持っています。これは、特定の状況では非常に有利です（特に他の一般的な金属と比較した場合）。たとえば、このため、純粋なタングステンは高温環境に最適な材料となり、航空宇宙、自動車、建設業界で広く使用されています。
タングステン金属は、合金や超合金の製造にも頻繁に使用されます。タングステン金属は融点が非常に高く、熱クリープに対する耐性があるため、合金が強化され、他の金属では使用できないような、より熱負荷の高い用途に適しています。
2. 高密度
純粋なタングステンは、非常に高い密度という利点があります。実際、19.3 g/cm3 という密度は、すべての金属の中で最も高く、タングステンの密度は水の約 19.3 倍、鉛の約 1.7 倍です。
この特性により、タングステンはより小さなパッケージでより多くの重量を保持することができ、小型で質量が求められる用途によく使用されます。たとえば、タングステンは高密度であるため、レーシングカーのバラスト、航空機のバラスト、運動エネルギー兵器など、小型でスリムでありながら大量のエネルギーを伝達できるものを作るのに最適です。
3. 低熱膨張
純タングステンは、すべての純金属の中で最も低い熱膨張係数を持っています。一般的な製造材料（鋼など）と比較すると、このため、極度の高温下でも安定性が増すという利点があります。他の金属に匹敵しない構造的堅牢性を備えており、特に高温での剛性が求められる場合（純タングステンカーバイドの切削工具やジェットエンジンのタービンブレードなど）に役立ちます。
4. 電子構造
導電性と比較的不活性な性質のため、タングステン金属は電子産業や高レベルの放射線が関与する環境で広く使用されています。このため、タングステンは密度が非常に高いことに加え、X 線ターゲットやその他の高エネルギー放射線遮蔽材の主な金属源の 1 つです。比較的不活性で密度が非常に高いこの材料は、X 線が透過しにくいためです。タングステン金属は、電極、導体、金属フィルムにも頻繁に使用されています。
5. 耐腐食性
純粋なタングステンは耐腐食性が非常に高く、さまざまな腐食性環境や屋外用途で使用できます。たとえば、水、酸、溶剤などの腐食性物質に長時間さらされる可能性がある場合に特に役立ちます。
一般的に遭遇する腐食環境は海洋環境であり、多くの金属はこれに耐えることができません。特に塩水は多くの金属に対して極めて腐食性があります。しかし、他の金属と合金にするとタングステン金属の耐性によりこのような過酷な環境に非常に適し、造船、釣り用ルアー、宝飾品などに使用できます。
6. 製造における強度
純タングステンは極めて頑丈な金属で、すべての純金属の中で最も高い引張強度を誇ります。このため、特定の状況下では脆くなることがありますが、金属加工のプロセスでは、純タングステンの剛性により、非常に細いワイヤーに引き伸ばしても破損しません。
おそらく、この最もわかりやすい例は、電球のフィラメントにおけるタングステンの使用です。この特定の用途では、光を発するために、極細のワイヤを極めて高温に加熱する必要があり、タングステンの高い融点は、これを可能にする重要な要素です。
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純タングステンの化学的性質
純粋なタングステンは化学周期表の遷移グループに位置し、+ 2、+ 3、+ 4、+ 5、および+ 6の酸化状態を持ちます。原子番号は74、相対原子質量は183.84です。純粋なタングステンは、X線で確認できる安定した等尺結晶構造のため、室温では固体です。
純粋なタングステンは酸による腐食に対して非常に耐性があり、硝酸とフッ化水素酸に対してのみ脆弱です。また、硝酸カリウムや水酸化ナトリウムなどのアルカリ性酸化溶融物によっても弱まることがあります。純粋なタングステンは腐食に対して非常に耐性がありますが、非常に高い温度では酸素と容易に結合して三酸化物を生成します。
当然、この金属は、タングステン-180、タングステン-182、タングステン-183、タングステン-184、タングステン-186の5つの安定同位体の混合物であり、その割合はそれぞれ0.12%、26.5%、14.3%、30.6%、28.4%です。
純タングステンの物理的特性
最も純粋なタングステンは、簡単に加工できる光沢のある白い金属です。しかし、その化学組成には微量の酸素と炭素が含まれており、大きなストレスや力がかかると非常に脆くなります。
純粋なタングステンは、知られている中で最も重いエンジニアリング金属であり、非常に高い密度 (19.25 g/cm³) を持っています。これは、その緻密な結晶構造によるものです。融点は 3 140 度と非常に高く、沸点は 5 700 度と高いです。純粋なタングステンは、すべての金属の中で最も低い蒸気圧を持ち、すべての金属の中で最も高い弾性率 (400 GPa) を持っています。
また、熱膨張係数が4.4×10-6mm程度と非常に低く、ホウケイ酸ガラスとほぼ同じであるため、ガラス金属シールに使用されています。純粋なタングステンは環境にも優しく、分解や劣化が起こりにくいです。
純タングステンの製造
純粋なタングステンは、数段階にわたって鉱石から抽出され、精製されます。鉱石は最終的にタングステン (VI) 酸化物 (WO3) に変換され、その後、水素または炭素燃料で加熱されて粉末状のタングステンが生成されます。タングステンは融点が非常に高いため、インゴットに成形することはできず、溶解は商業的に実現可能ではありません。
したがって、粉末タングステンは少量のニッケルまたは他の貴金属と混合して製造され、焼結されます。焼結の過程でニッケルが拡散し、タングステン合金が形成されます。
タングステンは、フッ化タングステン（WF6）の還元で水素によって抽出できる。
WF6 + 3H2 → W+ 6HF
純粋なタングステン製品を製造するには、まず製造業者は、生成されたタングステン合金を焼結し、場合によっては成形して固体ブロックまたは棒のビレットにします。その後、これらのビレットは、タングステン箔、タングステン棒、タングステン板、またはタングステンシートに加工されます。これは、研磨、引き抜き、打ち抜き、または成形によって行われます。製品によっては、さらに加工が必要なものもあります。
純粋なタングステン製品のほとんどは、黒色、潤滑剤のコーティングが残っている状態、酸化物の 3 つの異なる状態で販売されています。もう 1 つは、さまざまな化学薬品を使用してコーティングが除去された洗浄された状態です。最後に、ダイヤモンド シリコン カーバイド機械で金属を強化してコーティングを除去し、特定の滑らかさと希望の直径を実現した研磨された状態があります。
純タングステンの応用
純タングステンの用途
純タングステンの融点はすべての金属元素の中で最も高く、密度が高く、金に近いです。タングステンの硬度も非常に高く、炭化タングステンの硬度はダイヤモンドに近いです。また、タングステンは電気伝導性と熱伝導性も優れており、係数が低いため、合金、電子、化学業界で広く使用されています。
合金分野
純タングステンの硬度は非常に高く、金に近いため、鋼の強度、硬度、耐摩耗性を向上させることができ、重要な合金元素であり、あらゆる種類の鋼の生産に広く使用されています。一般的なタングステン鋼は、高速度鋼、タングステン鋼、タングステンコバルト磁性鋼であり、この鋼は主にドリル、フライスカッター、伸線ダイス、金型などのさまざまなツールの製造に使用されます。
タングステンカーバイド系硬質合金
炭化タングステンは耐摩耗性と耐火性が高く、硬度はダイヤモンドに近いため、一部の硬質合金によく使用されます。現在、炭化タングステン基硬質合金はタングステンの最大の消費分野であり、炭化物は真空炉または水素還元焼結炉で炭化タングステンミクロン粉末と金属バインダー（コバルト、ニッケル、モリブデンなど）から作られた粉末冶金製品です。炭化タングステン基硬質合金は、一般的にタングステンカーバイド-コバルト-タングステンカーバイド、チタンカーバイド-コバルト-タングステンカーバイド、チタンカーバイド、タンタルカーバイド-コバルト、スチール結合硬質合金の4種類に分けられ、炭化タングステン基硬質合金は主に切削工具、採掘工具、伸線ダイスなどの製造に使用されます。
耐熱・耐摩耗合金
純タングステンはすべての金属の中で最も融点が高く、硬度も非常に高いため、耐熱性と耐摩耗性に優れた合金の製造によく使用されます。たとえば、純タングステン、コバルト、クロム、カーボン合金は、航空エンジンバルブ、タービンインペラなどの高強度で耐摩耗性のある部品の製造に使用され、純タングステンとその他の耐火金属合金は、航空ロケットエンジンノズルなどの高強度部品の製造に使用されます。
高重力合金
純粋なタングステンは密度が高く、硬度が高いため、高比率合金を作るのに理想的な材料となっています。高比率合金は、組成、特性、用途によって、W-Ni-Fe、W-Ni-Cu、W-Co、W-WC-Cu、W-Agなどの主要なシリーズに分けられ、この合金は、重い、強度が高い、放射線吸収能力がある、熱伝導性、熱膨張係数が高い、伝導性がよい、溶接性、加工性に優れているなど、多くの特性があり、航空宇宙、航空、軍事、石油掘削、電気計装、医療などの業界で広く使用され、ハンマーアーマー、フィン、舵などの接触物質バランスの製造や、スイッチ、ブレーカー、スポット溶接電極などの制御に使用されています。
電子分野
純粋なタングステンは、可塑性が高く、蒸発率が低く、融点が高く、電子放出能力が高いため、電子および電力業界で広く使用されています。たとえば、タングステンは光率が高く、耐用年数が長いため、白熱灯、ハロゲンランプなどのさまざまな電球フィラメントの製造に広く使用されています。タングステン線は、電子管の直接熱陰極、ゲート、および熱陰極ヒーターによるさまざまな電子機器の製造にも使用できます。タングステンの特性により、TIG溶接やその他の同様の材料での使用に適しています。
化学分野
純粋なタングステンの化合物は触媒として使用され、無機色素として使用されます。たとえば、2 つの硫化タングステンはガソリンの合成における潤滑剤と触媒として使用され、酸化タングステンは塗装に使用され、カルシウムまたはマグネシウム タングステンは蛍光粉に使用されます。
その他の分野
タングステンの熱膨張率はホウケイ酸ガラスと似ているため、ガラスや金属のシールを作るのに使われます。タングステンの感度は低いため、高純度のタングステンジュエリーを作るのに使われます。また、タングステンは放射性医学にも使われており、一部の器具にもタングステン線が使われています。
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