Tungsten (Wolfram) Nedir? Özellikleri ve Kullanım Alanları Nelerdir?

Tungsten, günlük yaşamda çok az dikkat çeken bir elementtir, ancak bu önemli element, ev tipi akkor ampullerden radyasyon kalkanına kadar her şey için kullanılır. W sembolüne sahip elemanın çok çeşitli uygulamaları etkileyicidir. Bugün, kendine has özellikleri nedeniyle tungsten, modern yüksek teknoloji endüstrisi için vazgeçilmez bir elementtir. Tüm metaller arasında en yüksek erime noktasına sahip olduğundan, enerji ve aydınlatma teknolojisinin yanı sıra havacılık endüstrisindeki yüksek sıcaklık uygulamaları için oldukça idealdir. Bu yazımızda wolfram diğer bir deyişle tungsten elementini ele alacağız.

Tungsten Nedir?

Tungsten, altın kadar ağır (yoğunluk 19,3 g /cm³), elmas kadar sert (tungsten karbür bileşiği) ve bir o kadar ısıya dayanıklı bir metaldir.

Tungsten karbür hâliyle birlikte elmaslara benzer sertliğe sahiptir ve metal, taş, ahşap ve plastiklerin işlenmesi için modern kesme ve delme aletlerinin temelini oluşturur. Uygulama sahası spektrum, elektronik devre kartları için bir saç teli kadar ince matkaplardan karayolu ve demiryolu tünelleri uygulamalarındaki delme aletlerine kadar uzanır.

Dünyadaki tungsten miktarı milyonda 1,5 veya bir ton kayada yaklaşık 1,5 gram olduğu tahmin edilmektedir. Dünyada en büyük tungsten üretimi Çin’dedir. Üretiminde cevherler manyetik ve mekanik işlemlerle konsantre edilir ve konsantre daha sonra alkali ile kaynaştırılır. Ham eriyikler, asitleştirme ile sulu tungsten trioksitin çökeltildiği sodyum tungstat çözeltilerini vermek üzere süzülür ve daha sonra elde edilen oksit kurutulur ve hidrojen ile metale indirgenir.

Tungstenin Tarihi

Tungsten metali ilk olarak 1783 yılında İspanyol kimyagerler ve mineraloglar tarafından üretildi. Juan Jose ve Fausto Elhuyar, mineral volframitten türetilen oksidin indirgenmesiyle keşfetmiştir. Daha önce 1781 yılında İsveçli kimyager Carl Wilhelm Scheele, şimdilerde şelit olarak bilinen bir mineralde tungstik asit keşfetmişti ve Torbern Bergman ise asitten yeni bir metalin elde edilebildceği sonucuna vardı. Tungstenin (Wolfram) keşfinden bu yana element için tungsten ve wolfram isimleri kullanılmıştır. İngiliz ve Amerikan kullanımında tungsten tercih edilir; Almanya’da ve diğer bazı Avrupa ülkelerinde ise wolfram kabul edilmektedir.

350 yıldan fazla bir süre önce Çin’deki porselen üreticileri, bilinmeyen bir tungsten pigmenti vasıtasıyla tasarımlarına benzersiz bir şeftali rengini dahil ettiler. Aslında, Avrupa’daki kimyagerlerin bunun farkına varması çok uzun sürmemişti. 1779’da Peter Woulfe, İsveç’ten bir minerali inceledi ve yeni bir metal içerdiği sonucuna vardı. Daha sonra 1781’de Wilhelm Scheele onu araştırdı ve asidik bir oksiti izole etmeyi başardı ve yeni bir metalin oksidi olduğu yani tungstenin olduğu sonucuna vardı.

Tungstenin Özellikleri

Tungsten, oda sıcaklığında katı haldedir ve bilinen en yüksek erime noktasına sahiptir. Aynı zamanda bilinen en yüksek çekme mukavemetine sahiptir. Ayrıca, mükemmel korozyon direnci nedeniyle asitlerin ve kimyasal bozunma saldırılarına karşı oldukça dirençlidir. Buda havacılıktan kesici takım uçlarına kadar bir çok alanda kullanımına neden olmaktadır.

Element esasında gri ile beyazımsı bir görünüme sahiptir ve diğer tüm metaller gibi tungsten de dövülebilir. Oldukça sünektir ve kolayca bir tel haline getirilebilir, diğer metallerin çoğundan çok daha kolay preslenir.

Tungsten, konsantre nitrik ve hidroflorik asit karışımları gibi kimyasal asitlerin saldırısına karşı oldukça dirençlidir ve potasyum nitrat ve sodyum hidroksit veya sodyum peroksitin karışımları gibi alkali oksitleyiciler tarafından hızla saldırıya uğrayabilir. Normal sıcaklıklarda oksijene karşı inerttir.

Tungsten oda sıcaklığında normalde kırılgandır. Bununla birlikte, saf tungsten, yüksek sıcaklıklarda mekanik işlemler ile sünek hale getirilebilir ve daha sonra çok ince tel haline getirilebilir. 

Tungsten Karbür Nedir?

Tungsten karbür, inorganik karbon bileşikleri sınıfının önemli bir üyesidir. Dökme demir, testere ve matkapların kesici kenarları ve zırh delici mermilerin delici çekirdeklerinde kullanılır.

Kimyasal olarak, tungsten nispeten inerttir. En önemli tungsten bileşiği, sertliği (en sert malzemelerden biri olarak bilinen elmasın 10 olduğu Mohs ölçeğinde 9.5 sertliğe sahip) ile dikkat çeken tungsten karbürdür (WC).

Tungsten karbür, imalat için 1920’lerde geliştirilen bir süreçte kullanılır. Toz haline getirilmiş tungsten karbür, genellikle başka bir toz haline getirilmiş metal ile karıştırılır. Kobalt ve istenen şekle preslenir, ardından 1400°–1600°C sıcaklıklara kadar ısıtılır. Tungsten karbür tanelerini eriten ve kısmen çözen diğer metal, böylece bir bağlayıcı veya çimento görevi görür. Tungsten karbür-kobaltın çimentolu kompozitleri, Widia ve Carboloy dahil olmak üzere birçok ticari adla bilinir.

Tungsten Karbür Özellikleri

1. Mukavemet – Tungsten karbür, bu kadar sert bir malzeme için çok yüksek mukavemete sahiptir. Basınç dayanımı, hemen hemen tüm erimiş döküm veya dövme metal ve alaşımlarından daha yüksektir.

2. Sertlik – Tungsten karbür bileşimleri, çelikten iki ila üç kat daha sert ve dökme demir ve pirinçten dört ila altı kat daha serttir. Young Modülü 94.800.000 psi’ye kadardır.

3. Deformasyona ve bükülmeye karşı yüksek direnç, minimum sapma ve iyi nihai mukavemet kombinasyonunun dikkate alındığı birçok uygulamada çok değerlidir. Bunlar şerit veya sac metal rulolarını içerir.

4. Darbeye Dayanıklı – Çok yüksek rijitliğe yani sertliğe sahip böyle bir malzeme için darbe direnci yüksektir diyebiliriz.

5. Termal ve oksidasyon direnci – Tungsten bazlı karbürler, oksitleyici atmosferlerde yaklaşık 1000°C’ye ve oksitleyici olmayan atmosferlerde 1500°C’ye kadar iyi performans gösterir.

6. Düşük sıcaklık direnci (kriyojenik özellikler) – Tungsten karbür, kriyojenik sıcaklık aralıklarında tokluğu ve darbe mukavemetini korur.

7. Termal İletkenlik – Tungsten karbür, takım çeliği ve karbon çeliğinin iki katı aralığındadır.

8. Elektriksel İletkenlik – Tungsten karbür, takım çeliği ve karbon çeliği ile aynı aralıktadır.

9. Ağırlık – Tungsten karbürün özgül ağırlığı, karbon çeliğinin 1 ila 2 katıdır.

10. Aşınma Direnci – Tungsten karbür, aşınma, erozyon gibi koşullarda çelikten 100 kata kadar daha uzun çalışma sürelerinde aşınır. Tungsten karbürün aşınma direnci, aşınmaya dirençli takım çeliklerinden daha iyidir.

11. Boyutsal Kararlılık – Tungsten karbür, ısıtma ve soğutma sırasında hiçbir faz değişikliğine uğramaz ve kararlılığını korur. Isıl işlem gerekmez.

Tungsten Tel Nasıl Üretilir?

Basma

Tungsten tozu elenir ve karıştırılır. Bir bağlayıcı eklenebilir. Sabit bir miktar tartılır ve bir pres içine yüklenen bir çelik kalıba yüklenir. Toz, yapışkan, bir çubuk halinde sıkıştırılır. Kalıp parçalara ayrılır ve çubuk çıkarılır.

Presinterleme

Çubuk, ateşe dayanıklı metal bir hazneye yerleştirilir ve hidrojen atmosferi olan bir fırına yüklenir. Yüksek sıcaklık, malzemeyi sağlamlaştırmaya başlar. Malzeme tam yoğunluğunun yaklaşık %60 – %70’i kadardır, çok az tane büyümesi vardır veya hiç yoktur.

Tam Sinterleme

Bar, özel bir su soğutmalı sisteme yerleştirilir. Çubuk üzerinden elektrik akımı geçirilecektir. Bu akımın ürettiği ısı, çubuğun tam yoğunluğun yaklaşık %85 ​​ila %95’ine kadar yoğunlaşmasına ve %15 kadar küçülmesine neden olacaktır. Ek olarak, çubuk içinde tungsten kristalleri oluşmaya başlar.

Dövme

Tungsten çubuğun dayanımı artık daha yüksektir, ancak oda sıcaklığında çok kırılgandır. Sıcaklığı 1200°C ile 1500°C arasına yükseltilerek daha yumuşak hale getirilebilir. Bu sıcaklıkta, çubuk bir swager’dan geçirilebilir. Swager, çubuğu dakikada yaklaşık 10.000 darbede dövülmek için tasarlanmış bir kalıptan geçirerek çubuğun çapını azaltan bir cihazdır. Çubuk 0,25 ile 0,10 inç arasında olana kadar dövme devam eder.

Tungstenin İzotopları

Doğal tungsten beş kararlı izotopu bulunmaktadır. Tungsten-180 (yüzde 0.12), tungsten-182 (yüzde 26.50), tungsten-183 (yüzde 14.31), tungsten-184 (yüzde 30.64) ve tungsten-186 (yüzde 28.43). Tungsten kristalleri izometriktir ve hacim merkezli kübik olarak görülür.

Tungstenin Kullanım Alanları

Tungsten ilk olarak ticari olarak bir lamba şeklinde kullanıldı. Filament malzeme olarak ve daha sonra birçok elektrik ve elektronikte kullanılan uygulamada kullanılmıştır. Havacılık endüstrisinde roket motorunda kaplamalarda dayanımı arttırmak için kullanılmıştır.

Her geçen gün gelişen teknoloji sayesinde günümüz endüstrisinde kullanımı hızla artan
tungsten ve tungsten alaşımlarının en yaygın kullanım alanlarını şu şekilde listeleyebiliriz:

• Flamanlar, teller, çubuklar, elektrotlar ve levhalar
• Kesici ve delici aletler (sondaj makinesi ve matkap uçları gibi)
• Sert makine parçaları (gaz türbin motorları gibi)
• Vakum ve değirmen-öğütme ekipmanları
• Otomotiv sanayi
• Uçak ve roket sanayi
• İnşaat sanayi
• Kimya sanayi
• Elektrik ve elektronik cihazlar
• Medikal alet ve cihazlar
• Madencilik malzemeleri
• Askeri teçhizatlar, mermi ve silah yapımı
• Akıllı teknoloji ürünleri (akıllı cam ve dokunmatik ekranlar)
• Saat, mücevher ve tükenmez kalem ucu
• Golf sopası, tenis raketi ve yanmaz giysi yapımı

Tungsten ve alaşımlarının yüksek sıcaklık uygulamalarında yüksek dayanım getiren bir malzeme olarak hayatımızın en önemli alanlarında kullanılması bizler için oldukça mühimdir.