Répertoire
Chapitre 1 Introduction
1.1 Définition et aperçu des tiges de tungstène
1.2 L’importance des tiges de tungstène dans l’industrie
1.3 Contexte historique et développement
Chapitre 2 Types de tiges de tungstène
2.1 Les tiges de tungstène sont classées par composition
2.1.1 Tiges de tungstène pur
2.1.2 Tiges de tungstène de haute pureté (≥99,95 %)
2.1.3 Barres de tungstène dopées (dopage aux terres rares, dopage à l’oxyde)
2.2 Les tiges de tungstène sont classées en fonction du processus de fabrication
2.2.1 Tiges de tungstène frittées
2.2.2 Tiges de tungstène forgées
2.2.3 Tiges de tungstène laminées
2.2.4 Dessiner des tiges de tungstène
2.2.5 Extruder des tiges de tungstène
2.3 Les tiges de tungstène sont classées en fonction de leur utilisation
2.3.1 Tiges de tungstène à usage industriel
2.3.2 Tiges de tungstène pour l’électronique
2.3.3 Tiges de tungstène à usage militaire
2.3.4 Autres tiges de tungstène à usage spécial
2.4 Les tiges de tungstène sont classées selon les spécifications
2.4.1 Tiges de tungstène de petit diamètre (<5 mm)
2.4.2 Tiges de tungstène de diamètre moyen (5 à 20 mm)
2.4.3 Tiges de tungstène de grand diamètre (>20 mm)
2.5 Les tiges de tungstène sont classées en fonction de leur état de surface
2.5.1 Bâtonnets en cuir noir
2.5.2 Bâtons Cartlight
2.5.3 Tiges de polissage
2.6 Tiges spéciales en tungstène
2.6.1 Tiges de tungstène de potassium
2.6.2 Barres de tungstène dopées au thorium
2.6.3 Tiges de tungstène dopées au cérium
2.6.4 Tiges de tungstène dopées au lanthane
2.6.5 Barres de tungstène dopées au zirconium
2.6.6 Tiges de tungstène dopées à l’yttrium
2.6.7 Tiges composites de tungstène de terres rares
2.7 Comparaison des modèles et des grades internationaux
2.7.1 Grades de tiges de tungstène pur
2.7.2 Grades de tiges de tungstène dopées
2.7.4 Grades nationaux et étrangers (GB/T, ASTM, ISO)
Chapitre 3 Caractéristiques des tiges de tungstène
3.1 Propriétés physiques des tiges de tungstène
3.1.1 Point de fusion élevé des tiges de tungstène
3.1.2 Haute densité de tiges de tungstène
3.1.3 Faible coefficient de dilatation thermique des tiges de tungstène
3.1.4 Conductivité thermique et électrique des tiges de tungstène
3.1.5 Faible pression de vapeur des tiges de tungstène
3.2 Propriétés chimiques des tiges de tungstène
3.2.1 Résistance à la corrosion des tiges de tungstène
3.2.2 Stabilité chimique des tiges de tungstène
3.2.3 Réactivité des tiges de tungstène avec d’autres éléments
3.3 Propriétés mécaniques des tiges de tungstène
3.3.1 Haute résistance et dureté des tiges de tungstène
3.3.2 Résistance au fluage des tiges de tungstène
3.3.3 Ténacité et usinabilité des tiges de tungstène
3.4 Comparaison des caractéristiques de différents types de tiges de tungstène
3.4.1 Tiges de tungstène pur et tiges de tungstène de haute pureté
3.4.2 Propriétés spéciales des barres de tungstène dopées
3.5 Tiges de tungstène MSDS de CTIA GROUP LTD
Chapitre 4 Préparation et technologie de production des tiges de tungstène
4.1 Préparation des matières premières pour les tiges de tungstène
4.1.1 Extraction et purification du minerai de tungstène
4.1.2 Préparation de la poudre de tungstène
4.1.3 Ajout d’éléments d’alliage et de dopants
4.2 Technologie de métallurgie des poudres des tiges de tungstène
4.2.1 Mélange et pressage de la poudre
4.2.2 Frittage à haute température
4.2.3 Optimisation des performances des tiges de tungstène frittées
4.3 Technologie de traitement de la déformation des tiges de tungstène
4.3.1 Forgeage à chaud (forgeage au marteau, forgeage rotatif)
4.3.2 Extrusion à chaud
4.3.3 Roulage
4.3.4 Traction
4.4 Préparation de tiges de tungstène à grande échelle
4.4.1 Difficultés et défis techniques
4.4.2 Méthode de préparation des tiges de tungstène à haute densité
4.4.3 Optimisation et innovation des procédés
4.5 Technologie de post-traitement des tiges de tungstène
4.5.1 Traitement thermique
4.5.2 Traitement de surface (polissage, nettoyage)
4.5.3 Usinage et coupe de précision
4.6 Caractéristiques de processus des différents types de tiges de tungstène
4.6.1 Procédé de tige de tungstène pur
4.6.2 Procédé de tige de tungstène de haute pureté
4.6.3 Procédé de tige de tungstène dopée
Chapitre 5 Utilisations des tiges de tungstène
5.1 Applications industrielles des tiges de tungstène
5.1.1 Tiges à noyau de tungstène pour four à quartz
5.1.2 Préparation des plaquettes de silicium monocristallin
5.1.3 Purification des éléments de terres rares
5.1.4 Creuset en tungstène pour four à cristal de saphir
5.2 Les tiges de tungstène sont utilisées dans l’armée et la défense nationale
5.2.1 Noyaux perforants
5.2.2 Tiges de tungstène hautement explosives
5.3 Les tiges de tungstène sont utilisées dans l’électronique et l’éclairage
5.3.1 Filament de tungstène (filament, fil de support)
5.3.2 Électrodes (électrodes en tungstène, électrodes en tungstène de terres rares)
5.3.3 Cibles de pulvérisation
5.4 Les tiges de tungstène sont utilisées dans l’automobile et l’aérospatiale
5.4.1 Composants d’automatisation automobile
5.4.2 Composants aérospatiaux à haute température
5.5 Les tiges de tungstène sont utilisées dans la recherche médicale et scientifique
5.5.1 Instruments médicaux (protection contre les rayonnements)
5.5.2 Équipement expérimental (expériences à haute température)
5.6 Les tiges de tungstène sont utilisées dans d’autres domaines
5.6.1 Articles de sport (fléchettes en carbure de tungstène)
5.6.2 Bijouterie (bijouterie en carbure de tungstène)
5.6.3 Outils spéciaux et moules
Chapitre 6 Équipement de production de tiges de tungstène
6.1 Équipement de métallurgie des poudres pour les tiges de tungstène
6.1.1 Mélangeurs
6.1.2 Presses
6.1.3 Four de frittage à haute température
6.2 Équipement de traitement de la déformation des tiges de tungstène
6.2.1 Marteaux pneumatiques et marteaux électrohydrauliques
6.2.2 Machines à sertir rotatives
6.2.3 Extrudeuses à chaud
6.2.4 Laminoirs et machines à étirer
6.3 Équipement de post-traitement pour les tiges de tungstène
6.3.1 Fours de traitement thermique
6.3.2 Équipement de polissage et de nettoyage
6.3.3 Équipement d’usinage de précision (tours, rectifieuses)
6.4 Équipement de production avancé pour les tiges de tungstène
6.4.1 Équipement de frittage de plasma
6.4.2 Fours de fusion sous vide
6.4.3 Systèmes de contrôle et de surveillance automatiques
6.5 Sélection de l’équipement et entretien des tiges de tungstène
6.5.1 Exigences relatives à l’équipement pour différents types de tiges de tungstène
6.5.2 Entretien de l’équipement et gestion de la durée de vie
Chapitre 7 Normes nationales et étrangères pour les tiges de tungstène
7.1 Normes internationales pour les tiges de tungstène
7.1.1 Norme ISO (ISO 24370 : Tungstène et alliages de tungstène)
7.1.2 Norme ASTM (ASTM B777 : Alliage de tungstène haute densité)
7.1.3 Classe 13 de l’AGRR
7.1.4 Autres normes internationales
7.2 Norme chinoise pour les tiges de tungstène
7.2.1 GB/T 4187-2017 (Norme nationale pour les barres de tungstène)
7.2.2 GB/T 3459-2017 (tungstène et produits en alliage de tungstène)
7.2.3 Norme industrielle (YS/T 695-2009 : Électrode de tungstène)
7.3 Comparaison des normes et applicabilité des tiges de tungstène
7.3.1 Différences entre les normes canadiennes et étrangères
7.3.2 Exigences normalisées pour les différents types de tiges de tungstène
7.3.3 L’importance directrice des normes de production et d’essai
Chapitre 8 Détection des tiges de tungstène
8.1 Propriétés physiques des tiges de tungstène Essai
8.1.1 Essai de densité des tiges de tungstène
8.1.2 Essai de dureté des tiges de tungstène (Vickers, Brinell)
8.1.3 Essai de résistance à la traction et de ténacité des tiges de tungstène
8.1.4 Essai de dilatation thermique et de conductivité thermique des tiges de tungstène
8.2 Analyse de la composition chimique des tiges de tungstène
8.2.1 Analyse spectroscopique (ICP-MS, XRF)
8.2.2 Détection des oligo-éléments et des impuretés
8.3 Analyse de la microstructure des tiges de tungstène
8.3.1 Observation au microscope (MEB, MET)
8.3.2 Granulométrie et uniformité de la microstructure
8.4 Essais non destructifs des tiges de tungstène
8.4.1 Contrôle par ultrasons
8.4.2 Inspection par rayons X
8.4.3 Magnétoscopie
8.5 Vérification des performances des tiges de tungstène
8.5.1 Essai de performance à haute température
8.5.2 Essai de résistance à la corrosion
8.5.3 Essai de conductivité et de fluage
8.6 Points clés de détection des différents types de tiges de tungstène
8.6.1 Détection des tiges de tungstène pur
8.6.2 Détection des tiges de tungstène de haute pureté
8.6.3 Détection des tiges de tungstène dopées
Chapitre 9 : État de l’industrie des tiges de tungstène et tendance de développement
9.1 Vue d’ensemble du marché des tiges de tungstène en Chine
9.1.1 Analyse de l’offre et de la demande du marché
9.2 Vue d’ensemble du marché international des tiges de tungstène
9.2.1 Principaux pays et régions exportateurs
9.2.2 Dépendance à l’égard des importations et état de la chaîne d’approvisionnement
9.3 Tendance au développement technologique des tiges de tungstène
9.3.1 Nouveaux matériaux et technologies d’alliage
9.3.2 Fabrication écologique et technologies d’économie d’énergie
9.3.3 Production intelligente et automatisée
9.4 Défis et opportunités des tiges de tungstène
9.4.1 Goulets d’étranglement et percées techniques
9.4.2 Concurrence sur le marché et mondialisation
9.4.3 Exigences relatives à la protection de l’environnement et au développement durable
Chapitre 10 Conclusions
10.1 La valeur fondamentale et les perspectives d’application des tiges de tungstène
10.2 Direction du développement futur des tiges de tungstène
10.3 Recommandations pour le développement de l’industrie
Appendice
- Glossaire
- Références
Chapitre 1 Introduction
1.1 Définition et aperçu des tiges de tungstène
La tige de tungstène est un matériau métallique en forme de tige fabriqué à partir de tungstène (symbole d’élément chimique W, numéro atomique 74) ou de son alliage comme composant principal, par des procédés de métallurgie des poudres, de forgeage, d’étirage ou d’extrusion. Les tiges de tungstène sont connues pour leurs excellentes propriétés physiques, chimiques et mécaniques, notamment un point de fusion extrêmement élevé (3410°C), une densité élevée (19,25 g/cm³), une excellente résistance à la corrosion et une excellente résistance mécanique. Ces propriétés rendent les tiges de tungstène indispensables dans de nombreux secteurs industriels exigeants tels que l’aérospatiale, l’électronique, l’armée, le médical et la fabrication à haute température.
La composition de base de la tige de tungstène
Les barres de tungstène peuvent être divisées en trois catégories en fonction de leur composition : les barres de tungstène pur, les barres de tungstène de haute pureté et les barres de tungstène dopées.
Tige de tungstène pur : avec du tungstène de haute pureté (pureté ≥99,9 %) comme composant principal, il convient aux environnements à haute température, à haute résistance et résistants à la corrosion, tels que les cathodes de tube à vide, les cibles de tube à rayons X et les tiges de noyau de four à haute température dans l’industrie électronique.
Tige de tungstène de haute pureté (≥ 99,95 %) : Le tungstène d’une pureté de 99,95 % ou plus et d’une très faible teneur en impuretés (<50 ppm) est conçu pour les semi-conducteurs, les dispositifs médicaux et les appareils électroniques haut de gamme qui nécessitent une propreté et une précision élevées, tels que les composants de dispositifs d’implantation ionique et les cibles de pulvérisation.
Tige de tungstène dopée (dopage aux terres rares, dopage aux oxydes) : Des éléments de terres rares (tels que le cérium, le lanthane, l’yttrium) ou des oxydes (tels que l’oxyde de thorium, la zircone) sont ajoutés à la matrice de tungstène pour améliorer la stabilité de l’arc, la résistance au fluage et les performances de traitement, et sont largement utilisés dans les électrodes de soudage (telles que les électrodes de soudage à l’arc argon) et les éléments de four à haute température.
Forme et spécification de la tige de tungstène
Les barres de tungstène se présentent sous diverses formes, avec des diamètres allant du micron (par exemple, les tiges de tungstène étirées pour les filaments) à des dizaines de millimètres (par exemple, les tiges de tungstène industrielles à grande échelle). Leurs longueurs sont souvent adaptées aux besoins de l’application, allant de quelques centimètres à plusieurs mètres. L’état de surface varie également en fonction du processus d’usinage, y compris les tiges noires (non finies avec une couche d’oxyde), les tiges de polissage (surface lisse après usinage) et les tiges de polissage (avec une finition de surface extrêmement élevée pour les applications de précision).
Processus de préparation de la tige de tungstène
Les tiges de tungstène sont généralement préparées à l’aide de la technologie de la métallurgie des poudres, et le processus de base comprend :
Préparation de la poudre de tungstène : la poudre de tungstène de haute pureté est purifiée à partir de minerai de tungstène (comme la wolframite ou la scheelite).
Pressage et frittage de poudre : la poudre de tungstène est pressée dans une ébauche et frittée à haute température (2000-3000°C) pour former une tige de tungstène frittée dense.
Traitement de déformation : traitement ultérieur par forgeage à chaud, emboutissage rotatif, laminage ou emboutissage pour améliorer la densité et les propriétés mécaniques du matériau.
Post-traitement : y compris le traitement thermique, le polissage de surface ou le nettoyage pour répondre à des besoins d’application spécifiques.
Propriétés uniques des tiges de tungstène
Les tiges de tungstène sont préférées pour leur combinaison unique de propriétés :
Point de fusion élevé : Le tungstène a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux et convient aux environnements à très haute température tels que les fours à quartz et les fours à cristal de saphir.
Haute densité : La proximité de la densité de l’or lui confère un avantage dans les domaines qui nécessitent des contrepoids de haute qualité, tels que les balances aérospatiales.
Résistance à la corrosion : Le tungstène a une excellente résistance à la corrosion de la plupart des acides et des bases à température ambiante, et ne réagira lentement que dans des environnements à haute température et fortement oxydants (tels que l’acide nitrique).
Résistance mécanique : La tige de tungstène conserve une résistance élevée et une résistance au fluage à haute température, et convient aux pièces sollicitées à long terme.
Conductivité électrique et thermique : Bien que moins conducteur que les métaux tels que le cuivre, sa stabilité à haute température le rend excellent dans les électrodes et les filaments.
Classification et nomenclature des barres de tungstène
Les tiges de tungstène sont souvent nommées en fonction de leur composition, de leur utilisation ou des normes internationales. Par exemple:
Normes internationales : telles que ASTM B760 (tige de tungstène pur).
Grades de tiges de tungstène dopées : telles que WT20 (tige de tungstène dopée au thorium à 2 %), WL15 (tige de tungstène dopée au lanthane à 1,5 %), conformément à la norme AWS A5.12.
Les normes nationales, telles que GB/T 4187-2017, spécifient la composition chimique, les tolérances dimensionnelles et les exigences de performance des barres de tungstène. Ces systèmes de nomenclature facilitent le commerce et l’application à l’échelle mondiale, en assurant l’uniformité et la traçabilité des spécifications des matériaux.
Aperçu du marché mondial des tiges de tungstène
En tant que matériau haute performance, la tige de tungstène est largement utilisée dans les systèmes industriels mondiaux. La Chine est la plus grande ressource de tungstène et le plus grand producteur de produits à base de tungstène au monde, représentant plus de 80 % de la production mondiale de tungstène, principalement exportée vers les États-Unis, l’Europe et le Japon. La production de tiges de tungstène est concentrée dans un petit nombre d’entreprises spécialisées, et la demande du marché est principalement tirée par la fabrication de semi-conducteurs, les nouvelles énergies, l’aérospatiale et les industries de la défense.
La tige de tungstène est respectueuse de l’environnement et durable
La production de barres de tungstène implique l’extraction du minerai de tungstène et le traitement à haute température, qui est énergivore et peut produire des gaz d’échappement et des résidus. Ces dernières années, des technologies de fabrication vertes (par exemple, le frittage à faible consommation d’énergie, le recyclage des déchets) ont été adoptées pour réduire l’impact environnemental. De plus, la grande durabilité et la recyclabilité des tiges de tungstène les rendent durables tout au long de leur cycle de vie.
1.2 L’importance des tiges de tungstène dans l’industrie
Les tiges de tungstène jouent un rôle clé dans les industries mondiales en raison de leurs excellentes performances et sont largement utilisées dans des domaines exigeants de haute technologie tels que la fabrication de semi-conducteurs, l’aérospatiale, la défense, l’énergie, la médecine et les industries de l’éclairage. Son importance se reflète dans ses propriétés uniques qui répondent aux besoins en matériaux des environnements extrêmes, favorisant le progrès technologique et l’efficacité industrielle. L’importance des tiges de tungstène dans l’industrie est discutée en détail sous plusieurs angles.
Applications principales dans des environnements à haute température
Le point de fusion élevé de la tige de tungstène (3410°C) en fait un matériau irremplaçable dans les environnements à haute température. Dans le four de fusion continue de quartz, la tige de tungstène est utilisée comme tige centrale pour résister à des températures extrêmes de plus de 2000 °C pour la production de verre de quartz de haute pureté, qui est largement utilisé dans les industries de la fibre optique et des semi-conducteurs. De même, dans un four à cristal de saphir, les tiges de tungstène sont transformées en creusets ou en supports pour la production de cristaux de saphir artificiels, qui sont utilisés dans les substrats LED et les fenêtres optiques. La résistance au fluage des tiges de tungstène garantit la stabilité structurelle même en cas de contraintes à haute température à long terme, ce qui n’est pas le cas avec d’autres matériaux métalliques tels que le nickel et le molybdène.
L’épine dorsale de l’industrie des semi-conducteurs et de l’électronique
La fabrication de semi-conducteurs exige une pureté et des performances de matériaux extrêmement élevées, et les tiges de tungstène jouent un rôle important à cet égard. Par exemple, dans la production de silicium monocristallin, les tiges de tungstène sont utilisées comme éléments chauffants ou structures de support pour les fours à haute température afin d’assurer la stabilité et l’uniformité de la croissance des cristaux. De plus, les tiges de tungstène dopées (telles que les tiges de tungstène dopées au cérium ou au lanthane) sont largement utilisées comme électrodes de soudage à l’arc à l’argon pour le soudage de précision d’équipements à semi-conducteurs, et leur excellente stabilité à l’arc et leur résistance à l’usure améliorent la qualité et l’efficacité du soudage. Les tiges de tungstène sont également transformées en cibles de pulvérisation cathodique pour être utilisées dans les processus de dépôt physique en phase vapeur (PVD) afin de fabriquer des couches minces pour les circuits intégrés et les écrans.
Matériaux stratégiques dans le domaine de la défense et du militaire
La haute densité et la dureté des tiges de tungstène en font un matériau stratégique pour l’industrie militaire. Les tiges en alliage de tungstène (par exemple l’alliage de tungstène nickel-fer, d’une densité allant jusqu’à 18,5 g/cm³) sont transformées en noyaux perforants pour frapper des cibles antichars et blindées, avec une énergie cinétique élevée et une pénétration dépassant de loin celles des aciers conventionnels. De plus, les barres de tungstène ont été conçues dans le concept d’« armes cinétiques » comme des ogives cinétiques à haute densité, et bien qu’elles n’aient pas encore été réellement déployées, leur potentiel montre l’importance des barres de tungstène dans la technologie militaire future. La résistance aux températures élevées et à la corrosion des tiges de tungstène les rend également adaptées aux tuyères de missiles et aux pièces de blindage.
Un choix fiable pour l’industrie aérospatiale
Les tiges de tungstène sont largement utilisées dans l’industrie aérospatiale, où les matériaux sont extrêmement exigeants en termes de poids, de résistance et de résistance aux hautes températures. Les tiges en alliage de tungstène sont utilisées comme contrepoids pour les avions et les satellites en raison de leur haute densité, assurant une répartition précise du poids et une stabilité en vol. Par exemple, dans les rotors d’hélicoptères et les systèmes de contrôle d’attitude des engins spatiaux, les contrepoids à tige de tungstène réduisent considérablement les besoins en volume. De plus, les tiges de tungstène sont usinées dans des composants à haute température, tels que des revêtements de tuyère de moteur de fusée et des composants de protection thermique pour les véhicules de rentrée, dont les propriétés anti-ablatives prolongent la durée de vie des composants.
Composants critiques dans l’industrie de l’éclairage et de l’énergie
Dans l’industrie de l’éclairage, les tiges de tungstène sont le matériau de base des lampes à incandescence et halogènes traditionnelles. Les tiges de tungstène sont aspirées en filaments (qui peuvent avoir un diamètre aussi petit que quelques microns) et sont utilisées comme filaments qui émettent de la lumière pendant de longues périodes à des températures élevées en raison de leur point de fusion élevé et de leur faible pression de vapeur. Bien que la technologie LED remplace progressivement l’éclairage traditionnel, le filament de tungstène reste indispensable dans l’éclairage spécialisé tel que les lumières photographiques et les lumières de scène. Dans le domaine des nouvelles énergies, les barres de tungstène sont utilisées dans les barres de contrôle et les dispositifs expérimentaux à haute température des réacteurs nucléaires pour assurer la sécurité et la précision des expériences.
Une contribution unique aux domaines médical et scientifique
La haute densité et la capacité de protection contre les radiations des tiges de tungstène les font briller dans le domaine médical. Les tiges en alliage de tungstène sont transformées en collimateurs et en écrans pour les équipements de radiothérapie qui sont utilisés pour diriger avec précision les rayons X ou les rayons gamma afin de protéger les patients et le personnel médical des rayonnements indésirables. Dans le domaine de la recherche scientifique, les tiges de tungstène sont utilisées comme éléments chauffants ou électrodes dans les fours expérimentaux à haute température, soutenant ainsi la recherche de pointe en science des matériaux, en physique et en chimie. Par exemple, dans les expériences de supraconductivité à haute température, la stabilité des tiges de tungstène garantit la fiabilité de l’environnement expérimental.
Stimuler l’efficacité industrielle et l’innovation
Les diverses applications des barres de tungstène répondent non seulement aux besoins industriels existants, mais favorisent également l’innovation technologique. Par exemple, dans l’industrie automobile, les tiges de tungstène sont utilisées pour fabriquer des outils et des moules résistants à l’usure pour les lignes de production automatisées, améliorant ainsi l’efficacité de la production et la cohérence du produit. Dans les industries des articles de sport (par exemple, les clubs de golf, les fléchettes) et de la bijouterie, les tiges en alliage de tungstène sont usinées en composants de précision en raison de leur haute densité et de leur résistance à l’usure pour répondre à la demande des consommateurs pour des produits haute performance. Ces applications émergentes démontrent la grande adaptabilité des tiges de tungstène dans les industries traditionnelles et modernes.
L’importance de l’économie et de la chaîne d’approvisionnement
En tant que produit métallique rare, la tige de tungstène occupe une position importante dans l’économie mondiale. La Chine est le plus grand producteur mondial de tungstène, contrôlant environ 80 % du marché des ressources et des produits en tungstène, et l’exportation de tiges de tungstène est essentielle à la chaîne d’approvisionnement internationale. La haute valeur ajoutée et l’irremplaçabilité de la tige de tungstène en font un matériau de réserve stratégique pour le système industriel de nombreux pays. Par exemple, les États-Unis et l’Union européenne classent le tungstène comme un minéral critique, assurant ainsi la sécurité de leur chaîne d’approvisionnement pour soutenir la défense et la fabrication haut de gamme.
Défis et importance continue
Bien que les barres de tungstène soient indispensables dans l’industrie, leur production est confrontée à des défis tels que la consommation d’énergie élevée, la pollution de l’environnement et la rareté des ressources. Le développement de la technologie de fabrication verte et de la technologie de recyclage des déchets de tungstène est devenu le centre d’intérêt de l’industrie. Cependant, ces défis n’ont pas diminué l’importance des tiges de tungstène, mais ont conduit à des avancées technologiques qui lui permettront de continuer à jouer un rôle central dans l’industrie du futur.
1.3 Contexte historique et développement
En tant que matériau important dans l’industrie moderne, le processus de développement de la tige de tungstène est étroitement lié à la découverte, à la technologie de purification et à l’application industrielle du tungstène. De la découverte du tungstène à la fin du 18e siècle à l’utilisation généralisée de la tige de tungstène au 21e siècle, l’histoire de la tige de tungstène reflète l’évolution de la science des matériaux, de la technologie métallurgique et des besoins industriels. Ce qui suit est une trace détaillée du contexte historique de la tige de tungstène et de la trajectoire de développement de sa technologie et de son application.
Découverte du tungstène et premières recherches
La découverte du tungstène remonte à 1781, lorsque le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele a découvert la présence d’acide de tungstène en analysant la wolframite. En 1783, les frères espagnols Juan José et Fausto Elhuyar ont pour la première fois isolé le tungstène de l’acide de tungstène et l’ont nommé « tungstène » (suédois pour « pierre lourde »), ainsi nommé pour sa haute densité. Les premières recherches sur le tungstène étaient principalement axées sur les propriétés chimiques, limitées à l’échelle du laboratoire, et les applications industrielles du tungstène n’ont pas encore été réalisées en raison de son point de fusion élevé et de sa difficulté à traiter.
Au milieu du 19e siècle, avec les progrès de la technologie métallurgique, la valeur industrielle potentielle du tungstène a progressivement émergé. Dans les années 1850, le tungstène a commencé à être essayé dans la production d’aciers alliés pour améliorer la dureté et la résistance à l’usure de l’acier. Cependant, la technologie de purification et de moulage du tungstène pur est encore immature, ce qui limite sa large application.
Industrialisation initiale des tiges de tungstène
L’industrialisation des tiges de tungstène a commencé au début du 20ème siècle et est étroitement liée aux besoins de l’industrie de l’éclairage. En 1904, les ingénieurs hongrois Sandor Just et Franz Hanaman ont développé des lampes à incandescence au tungstène pour remplacer les lampes à filament de carbone inefficaces. Le point de fusion élevé et la faible pression de vapeur du tungstène en font un matériau de filament idéal, mais les premiers filaments de tungstène se fragilisent facilement, ce qui le rend difficile à transformer en tiges ou en filaments.
En 1909, William D. Coolidge de General Electric a inventé le procédé de préparation du tungstène ductile pour produire des tiges et des fils de tungstène avec une meilleure ténacité grâce à la métallurgie des poudres et à la technologie de forgeage à haute température. Cette percée a permis la production de masse de tiges de tungstène, réduisant considérablement le coût des lampes à incandescence et entraînant une révolution dans l’industrie de l’éclairage. Le procédé de Kulich constitue la base de la production moderne de tiges de tungstène, y compris les étapes principales du pressage de poudre, du frittage et du traitement par texturation.
L’application des tiges de tungstène au 20e siècle s’est élargie
Dans la première moitié du 20e siècle, l’application des tiges de tungstène s’est étendue de l’éclairage à plusieurs domaines industriels.
Électronique : Dans les années 1920, les tiges de tungstène étaient utilisées dans les cathodes et les électrodes des tubes à vide et à rayons X, et fonctionnaient bien dans l’électronique à haute température en raison de leur point de fusion élevé et de leur conductivité électrique.
Industrie militaire : Pendant la Première Guerre mondiale, le tungstène a été utilisé pour fabriquer des aciers alliés à haute résistance afin d’améliorer les performances du blindage des chars et des obus d’artillerie. Pendant la Seconde Guerre mondiale, les tiges en alliage de tungstène ont commencé à être usinées dans des noyaux perforants, augmentant considérablement l’efficacité des armes antichars.
Technologie de soudage : Dans les années 1940, les barres de tungstène ont été développées comme électrodes de soudage à l’arc à l’argon (soudage TIG), et les barres de tungstène dopées au thorium (contenant 2 % d’oxyde de thorium) sont devenues le matériau standard dans l’industrie du soudage en raison de leur excellente stabilité à l’arc.
Au cours de cette période, la technologie de production des tiges de tungstène n’a cessé de s’améliorer. L’optimisation du processus de métallurgie des poudres améliore la densité et les propriétés mécaniques des tiges de tungstène, tandis que l’introduction de technologies de traitement de déformation telles que le forgeage rotatif et l’emboutissage améliore considérablement la précision dimensionnelle et la qualité de surface des tiges de tungstène.
La position stratégique de la guerre froide et les tiges de tungstène
Pendant la guerre froide, les tiges de tungstène sont devenues un matériau stratégique pour leurs applications dans les secteurs de la défense et de l’aérospatiale. Dans les années 1950-1970, les tiges en alliage de tungstène étaient largement utilisées dans les aubes de turbine des moteurs à réaction, les composants de missiles et les contrepoids des engins spatiaux. Les États-Unis et l’Union soviétique ont tous deux inscrit le tungstène sur la liste des ressources critiques, constituant des stocks pour assurer la sécurité de la chaîne d’approvisionnement. L’industrie chinoise du tungstène s’est également développée rapidement au cours de cette période, s’appuyant sur de riches ressources en minerai de tungstène, devenant ainsi le principal fournisseur mondial de tiges de tungstène.
Dans les années 1960, une percée a été réalisée dans la recherche et le développement de tiges de tungstène dopées. La tige de tungstène dopée au potassium (WK) améliore la résistance au fluage à haute température en ajoutant des traces de potassium et convient aux éléments de four à haute température. Les tiges de tungstène aux terres rares (par exemple, dopées au cérium, au lanthane) améliorent la durabilité et la stabilité de l’arc de l’électrode, remplaçant progressivement les tiges de tungstène dopées au thorium, qui sont légèrement radioactives.
Technologie moderne des tiges de tungstène et mondialisation
Au 21e siècle, l’application et la technologie de production de la tige de tungstène sont entrées dans une nouvelle étape.
Semi-conducteurs et nouvelles énergies : l’utilisation de tiges de tungstène dans la fabrication de silicium monocristallin, de cristaux de saphir et de cellules solaires à couche mince a proliféré. Par exemple, les tiges de tungstène sont utilisées comme barres de noyau de four à haute température et cibles de pulvérisation, soutenant le développement rapide des industries des semi-conducteurs et du photovoltaïque.
Fabrication écologique : Avec l’amélioration des exigences de protection de l’environnement, la production de tiges de tungstène a commencé à adopter une technologie de frittage à faible consommation d’énergie et un processus de recyclage des déchets. Par exemple, les déchets de tiges de tungstène peuvent être purifiés chimiquement pour être transformés en poudre de tungstène, réduisant ainsi la consommation de ressources.
Nouveaux alliages et dopage : Les barres en alliage tungstène-nickel-cuivre sont utilisées dans les dispositifs médicaux en raison de leur non-amagnétique et de leur haute densité, et les tiges de tungstène dopées au lanthane (WL20) sont devenues le choix courant pour les électrodes de soudage en raison de leur respect de l’environnement.
Le marché mondial des tiges de tungstène est centré sur la Chine, représentant plus de 80 % de la production mondiale. Certaines entreprises internationales sont présentes sur le marché des tiges de tungstène haut de gamme, en se concentrant sur la production de tiges de tungstène de haute précision et spéciales. La formulation de normes internationales (par exemple, ASTM B777, ISO 24370) et nationales (par exemple, GB/T 4187-2017) a facilité le commerce normalisé des barres de tungstène.
Défis et avenir du développement des tiges de tungstène
Le développement des barres de tungstène est confronté à des défis tels que la rareté des ressources, la pression environnementale et les coûts élevés. Les dommages environnementaux causés par l’exploitation minière du tungstène ont incité les pays à renforcer la réglementation, et le point de fusion élevé et la dureté élevée du tungstène ont augmenté la difficulté de traitement et la consommation d’énergie. À l’avenir, la direction du développement de l’industrie des tiges de tungstène comprend :
De nouveaux procédés, tels que le frittage plasma et la fabrication additive (impression 3D) pour la production de pièces en tiges de tungstène aux formes complexes.
Nouveaux matériaux : développer des barres de tungstène dopées à faible toxicité pour remplacer complètement les barres de tungstène dopées au thorium.
Économie circulaire : Augmenter la récupération du tungstène et réduire la dépendance au minerai brut.
EN SAVOIR PLUS: Encyclopédie des tiges de tungstène
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