تنگستن یکی از فلزات کاربردی در صنایع است که به دلیل چگالی و سختی بالا، در موارد متنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرد. نمونه استفاده‌های آلیاژ تنگستن را می‌توان در محصولاتی مانند لامپ‌های رشته‌ای، لامپ پرتوی ایکس، الکترود جوشکاری و… پیدا کرد. برای آشنایی با شیوه تولید و کاربردهای سیم تنگستن در این محتوا همراه ما باشید.

آشنایی با فلز تنگستن

تنگستن یکی از عناصر شیمیایی فلزی است که در سنگ معدن‌ها و به صورت ناخالص وجود دارد. برای به دست آوردن این ماده، باید سنگ معدن را استخراج کرده و تنگستن را از سایر ترکیبات تشکیل دهنده سنگ معدن جدا نمود. این جداسازی به خاطر نقطه ذوب بالایی که تنگستن دارد، به وسیله ذوب سنتی در کوره‌ها امکان پذیر نیست. بلکه می‌بایست برای استخراج تنگستن از فرایندهای شیمیایی استفاده شود.

این فلز در سال 1783 برای اولین بار کشف و استخراج شد و امروزه به عنوان یک عنصر کمیاب و گران قیمت، از آن در ساخت بسیاری از تجهیزات مورد نیاز بشر مانند سیم تنگستن استفاده می‌شود. این عنصر فلزی در ترکیب با سایر عناصر در طبیعت وجود دارد و برای به کار گرفتن، باید ابتدا آن را با استخراج و خالص سازی بدست آورد. از جمله سنگ معدن‌هایی که حاوی تنگستن هستند، می‌توان ولفرامیت و شئلیت را نام برد.

خصوصیات و کاربرد‌های تنگستن

در بین عناصر جدول تناوبی، تنگستن بالاترین حد دمای ذوب را دارد. دمای ذوب این عنصر برابر با 3422 درجه سانتیگراد است. این فلز یک عنصر نسبتا مقاوم در برابر اکسید شدن، شرایط اسیدی و بازی است. همچنین دماهای بالا را به خوبی تحمل می‌کند. تنگستن خام و خالص، سخت اما شکل پذیر است. از این ماده در تولید کاربید تنگستن یا آلیاژهایی استفاده می‌شود که در ساخت سیم تنگستن کاربرد دارند. کاربید تنگستن ترکیب فلز تنگستن و کربن است که سختی بالایی داشته و در تولید چاقو، مته، ابزارهای برش تراشکاری و فرزکاری کاربرد دارد.

آلیاژهای ساخته شده از تنگستن هم ترکیبی از این فلز با فلزات دیگر مثل آهن، نیکل یا کبالت است. این آلیاژها در تولید توپ، نارنجک و موشک، یا محصولات الکترونیکی مثل لامپ رشته‌ای، لامپ اشعه کاتدی، المنت های حرارتی، اکترودها و مانند آن استفاده می‌شوند. از تنگستن به خاطر نقطه ذوب خاصش در مواردی که با دمای بالا سر و کار دارد، مثل جوشکاری آرگون، استفاده می‌شود.

درباره سیم بیشتر بخوانید: سیم نیکروم چیست؟

سیم تنگستن چیست؟

از این سیم‌ها در ساخت بسیاری از لامپ‌ها و منبع‌های تولید نور استفاده می‌شود. در ساختار لامپ‌های رشته‌ای و لامپ‌های هالوژنی از سیم‌های تنگستن استفاده می‌شود. به طوری که یک رشته نازک از جنس تنگستن در حباب لامپ قرار گرفته و یک جریان الکتریکی از آن عبور داده خواهد شد. با عبور جریان برق، رشته سیمی که از جنس تنگستن است و مقاومت الکتریکی بالایی دارد، بسیار داغ می‌شود.

داغ شدن فوری رشته نازک تنگستن تا دمای خیلی زیاد، باعث نورانی شدن آن رشته می‌شود. به این شکل لامپ رشته‌ای نور تولید می‌کند. از آنجا که در حباب لامپ مورد نظر میزان بسیاری گاز نئون موجود است، از اکسیده شدن و سوختن سیم تنگستن جلوگیری می‌شود.

سیم تنگستن چطور ساخته می‌شود؟

ساخت این سیم یک فراینده پیچیده و دشوار است و باید بطور کلی در تمامی مراحل با دقت و رعایت جزئیات لازم انجام شود تا محصول نهایی خواص فیزیکی و شیمیایی مناسبی داشته باشد.

روند استخراج تنگستن

خالص سازی تنگستن از سنگ معدن به دلیل بالاتر بودن نقطه ذوبش نسبت به سایر فلزات، در فرایند سنتی ذوب انجام نمی‌شود. راه جداسازی و بدست آوردن تنگستن خالص از طریق یک سری واکنش‌های شیمیایی ممکن می‌شود. بسته به این که ترکیب سنگ معدن در دسترس چیست و یک سری عوامل دیگر، فرایند دقیقی که برای این کار به کار برده می‌شود فرق دارد.

برای تولید سیم تنگستن احتیاج به استخراج این فلز از سنگ است. برای این کار سنگ معدن خرد می‌شود، رُست شده و سپس رسوب داده شده یا با انجام واکنش‌های شیمیایی ماده نهایی پاراتونگستات آمونیوم (APT) حاصل می‌شود. در نهایت ماده APT به شکل تجاری به فروش رسیده یا در صنعت به فرم اکسید تنگستن در آورده می‌شود.

برای استفاده از اکسید تنگستن، آن را در اتمسفری حاوی هیدروژن، رُست می‌کنند تا  پودر تنگستن خالص بدست آید و آب، محصول جانبی این واکنش است. به این شیوه، پودر تنگستن استخراج شده و در کارخانه‌های مربوطه برای ساخت محصولات ثانویه مانند سیم تنگستن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بیشتر بخوانید: رنگ بندی سیم ها در برق کشی ساختمان

روند ساخت سیم از پودر تنگستن

بعد از اینکه در فرایندی که به آن اشاره کردیم، پودر تنگستن خالص حاصل شد، با مراحلی که در ادامه ذکر می‌کنیم، سیم تنگستن ساخته می‌شود.

1- مرحله Pressing

اولین مرحله متعلق به فشرده سازی است. در این مرحله پودر تنگستن بدست آمده، غربال و میکس می شود. ممکن است یک ماده دیگر برای منسجم و متصل نگهداشتن ذرات تنگستن در کنار هم به آن افزوده شود. مقدار ثابتی از مخلوط وزن شده و در یک قالب فولادی قرار داده می‌شود. سپس در همان قالب پرس و فشرده می‌شود.
تا اینجا هنوز سیم تنگستن تولید نشده و محصول این مرحله، یک میله منسجم ولی شکننده است. در پایان میله مذکور را از قالب جدا می‌کنند.

2- مرحله Presintering

مرحله بعدی پیش از تَف جوشی (Sintering) انجام می‌شود. در این مرحله میله فلزی تنگستنی در ظرفی فلزی اما نسوز و مقاوم قرار داده شده و به کوره‌ای با اتمسفر هیدروژنی منتقل می‌شود. در کوره تحت دمای بالا، ترکیبات سازنده میله شروع به یکپارچه شدن می‌کنند. تا به اینجا محصول بدست آمده به حدود 60 تا 70 درصد چگالی لازم رسیده است.

قیمت سیم المنت

3- مرحله Full Sintering

مرحله بعدی از فرایند تولید سیم تنگستن، متعلق به تَف‌جوشی کامل است. در این قسمت میله تنگستن درون یک بطری مخصوص حاوی آب خنک شده، گذاشته می‌شود. یک جریان الکتریسیته نیز از آن میله رد می‌شود. تنگستن دارای مقاومت الکتریکی است و با عبور این جریان، دمای آن بالا می‌رود.
گرمای تولیدشده در این روند، میله تنگستن به 85 تا 95 درصد چگالی لازم خود برسد. در پایان این مرحله، اندازه میله تا 15% یا حتی بیشتر کوچک شود. از طرفی کریستال‌های تنگستن در ساختار میله ایجاد می‌شوند.

4- مرحله Swaging

میله تنگستن تا اینجای کار محکم و سخت شده، ولی هنوز هم در دمای اتاق خیلی شکننده و ترد است. پس در مرحله بعدی ساخت سیم تنگستن، دمای آن را تا 1500-1200 درجه سلسیوس بالا می‌برند تا حالتی انعطاف پذیر پیدا کند. با این حالت انعطاف پذیر، می‌توان میله تنگستن را از وسیله‌ای به نام سوئگر عبور داد.
سوئگر یک دستگاه مخصوص است که یک قالب برای رد کردن میله تنگستن دارد و در حین ردن شدن تنگستن، با 10 هزار ضربه در دقیقه آن را می‌کوبد. با این کار قطر میله تنگستن کمتر می‌شود.

در هربار عبور از سوئگر، معمولا قطر میله تقریبا 12 درصد کاهش می‌یابد. همچنین کریستال‌های تنگستنی که در ساختار میله وجود دارند، دراز و کشیده شده و یک ساختار فیبری را می‌سازد. با وجود اینکه این ساختار در نهایت برای برخورداری سیم تنگستن از خاصیت شکل‌پذیری و دوام و استحکام مناسب است، ولی در این مرحله از کار باید با افزایش دمای دوباره‌ی میله، تنش و فشار وارد شده بر میله برطرف شود. این مرحله تا وقتی که قطر میله تنگستن 0.25 تا 0.10 اینچ شود، ادامه پیدا می‌کند تا ساختاری سیم مانند ایجاد شود.

5- مرحله Drawing

در مرحله بعدی سیم پیچ خورده که حدود 0.10 اینچ قطر دارد، با کمک قالب‌ها برای کمترشدن قطرش، کشیده می‌شود. در مرحله Drawing سیم تنگستن را چرب و لیز کرده و به وسیله قالب‌های کاربید تنگستن یا الماس می‌کشند. در این مرحله فیبرهای ساختاری درون سیم مجددا کشیده شده و محصول نهایی استحکام کششی بالاتری خواهد داشت.

اینکه دقیقا قطر رشته تنگستن تا چه حد باید کاهش پیدا کند، بستگی به ساختار شیمیایی آن و موارد کاربردش دارد. در بعضی موارد امکان دارد احتیاج به پردازش بیشتر وجود داشته باشد که در این صورت دوباره سیم را در معرض حرارت قرار می‌دهند. در طول این فرایندها می‌توان سیم را تا رسیدن به ضخامت 0.0005 اینچ (معادل 0.0127 میلیمتر) نازک کرد. این مراحل بیان ساده‌ی فرآیند پیچیده و کاملاً کنترل شده‌ای هستند که طی آن سیم تنگستن ساخته می‌شود.