钨的性质和用途

钨的性质和用途(一)钨的性质钨的熔点为3410℃，沸点约为5900℃，热导率在10～100℃时为174瓦/米·K，在高温下蒸发速度慢、热膨胀系数很小，膨胀系数在0～100℃时，为4.5×10-6·K-1。钨的比电阻约比铜大3倍。电阻率在20℃为10-8欧姆·米。钨的硬度大、密度高(密度为19.25克/厘米3)，高温强度好，电子发射性能亦佳。钨的机械性能主要决定于它的压力加工状态与热处理过程。在冷状态下钨不能进行压力加工。锻压、轧压、拉丝均需在热状态下进行。钨的可塑性强。一根1公斤重的钨棒，可以拔成长约400公里、直径只有1％毫米的细丝。这种细丝在3000℃高温环境中，仍具有一定强度，而且发光率高，使用寿命长，是制造各种灯泡灯丝的好材料。白炽灯、碘钨灯，乃至世界上最新颖的灯泡、灯管，都用钨丝制造。常温下钨在空气中稳定，在400-500℃钨开始明显氧化，形成蓝黑色的致密的W03表面保护膜。常温下钨不易被酸、碱和王水浸蚀，但溶解于氢氟酸和王水的混合液内。(二)钨的主要用途世界上开采出的钨矿，80%用于优质钢的冶炼，15%用于生产硬质钢，5%其他用于其他用途。钨可以制造枪械、火箭推进器的喷嘴、切削金属，是一种用途较广的金属。1．钨在钢铁中的重要作用钨是钢的重要合金元素，提高钢的强度，硬度和耐磨性。主要钨钢有高速工具钢，热作模具钢，系列工具、模具钢，军械，涡轮钢，磁钢等。用钨钢制造工具，要比普通钢工具强度高几倍乃至几十倍；用钨钢制造炮筒、枪筒，在连续射击时，即使筒身被弹丸摩擦得滚烫，仍能保持良好的弹性和机械强度。在金属切削机床上，用钨钢做车刀，温度高达1000℃仍能坚硬如故。把含钨3％到15％的钨铬钴合金钢喷镀或堆焊到普通钢零件的表面，就等于给零件穿上坚硬的“盔甲”，既能耐温抗压，又能抵抗腐蚀，减少磨损，使用寿命可延长几十倍。由于钨钢的超群特性和宽广用途，全世界每年生产的钨，有90％都用来制造钨钢。广泛采用的高速钢含有9%—24%的钨、3.8%—4.6%的铬、1%—5%的钒、4%—7%钴、0.7%—1.5%碳。高速钢的特点是在空气中有高的强化回火温度（700—800℃）下，能自动淬火，因此，直到600—650℃它还保持高的硬度和耐磨性。合金工具钢中的钨钢含有0.8%——1.2%的钨；铬钨硅钢含有2%—2.7%的钨；铬钨钢中含有2%—9%的钨；铬钨锰钢中含有0.5%—1.6%的钨。含钨的钢用于制造各种工具：如钻头、铣刀、拉丝模、阴模和阳模，气支工具等零件。钨磁钢是含有5.2%—6.2%的钨、0.68%—0.78%碳、0.3%—0.5%铬的永磁体钢。钨钴磁钢含有11.5%—14.5%的钨、5.5%—6.5%钼、11.5%—12.5%钴的硬磁材料。它们具有高的磁化强度和矫顽磁力。2．钨合金在工业上的应用钨是高速工具钢、合金结构钢、弹簧钢、耐热钢和不锈钢的主要合金元素，钨可以通过固溶强化、沉淀强化和弥散强化等方法实现合金化，借以提高钨材的高温强度、塑性。通过合金化，钨已形成多种对当代人类文明有重大影响的有色金属合金。钨中加入铼(3％～26％)能显著提高延展性(塑性)及再结晶温度。某些钨铼合金经适当高温退火处理后，延伸率可达到5％，远较纯钨或掺杂钨的1％～3％为高。钨中加入0.4％～4.2％氧化钍(ThO2)形成的钨钍合金，具有很高的热电子发射能力，可用作电子管热阴极、氩弧焊电极等，但ThO2的放射性长期未得到解决。我国研制的铈钨(W-CeO2)合金及用La2O3和Y203作弥散剂制成的镧钨、钇钨合金(氧化物含量一般在2.2％以下)代替W-Th02合金，均已大量用作氩弧焊、等离子焊接与切割及非自耗电弧炉等多种高温电极。钨铜、钨银合金是一种组成元素间并无反应因而不形成新相的粉冶复合材料。钨银、钨铜合金实际上不是合金，故被视为假合金。钨银合金即是常提及的渗银钨。此类合金含20％～70％铜或银，兼有铜、银的优异导电导热性能与钨的高熔点、耐烧蚀等性能，主要用作火箭喷嘴、电触点及半导体支承件。国外一种北极星A-3导弹的喷嘴就是用渗有10％～15％银的钨管制造的，重量达数百千克的阿波罗宇宙飞船用的火箭喷嘴也是钨制造的。钨钼合金具有比纯钨更高的电阻率、更优异的韧性，已用作电子管热丝、玻璃密封引出线。钨作为合金元素，在有色金属合金中要提及的还有超合金。上个世纪40年代为适应航空用涡轮发动机对高温材料的需要，在隆隆的炮火中诞生了超合金。超合金由镍基、钴基、铁基三类特种结构合金组成。它们在高温(500～1050℃)下作业时仍能保持极高的强度、抗蠕变性能、抗氧化性能及耐蚀性。此外，它们在长达数年的使用期限内，可保证不会断裂，也就是具有耐高周期疲劳和低周期疲劳的特性。这类性能对人命关天的航空航天产业万分重要。钨在钢铁工业中是重要的合金元素，能提高钢的强度、硬度和耐蚀性。含钨的硬质合金（碳化钨），硬度大、耐磨、耐蚀和耐热，用于制造钻头、刀具和耐高温的零件等。含钨60～90％的钨铜（或钨银）合金是优良的接触材料，可用作电键、刀形开关、断路器及点焊电极等。钨镍铜合金可作α和γ射线的防护屏。在火箭发动机中，由钨制成的不冷却喷管能耐3127℃的高温和承受高压、高热应力。在照明及电子工业上作发光材料和X射线阴极靶。还可作高温电阻炉加热体。钨和钨铼（26％）合金所组成的热电偶，可测量温度范围从室温到2835℃。二硒化钨可作资深润滑轴承的润滑剂，其润滑温度范围为-217～350℃。钨的化合物颜料具有较亮的光泽，经久耐用。以钨为主要成分的特殊合金有：难熔合金甩手燃气涡轮机叶片、火箭喷嘴，导弹、核反应堆部件等；高比重合金用作重型穿甲弹头，导航陀螺仪转子、平衡重块以及自动手表的制动器等；镍铜等合金用作X—和y—射线防护屏，放射线物质的容器等；铜、钨银等合金是高压高频电触点材料；钨铼合金组成的热电可测量温度范围从室温到2835℃。基于钨的高密度制造高比重钨合金已成为钨的一个重要应用领域。采用液相烧结工艺，在钨粉中同时加入镍、铁、铜及少量其他元素，即可制成高密度钨合金。根据组分的不同，高密度钨合金可分为钨—镍—铁和钨—镍—铜两个合金系。通过液相烧结，其密度可达17～18.6克／厘米3。所谓液相烧结是指混合粉末压坯在烧结温度下有一定量液相存在的烧结过程。其优点在于液相润湿固相颗粒并溶解少量固体物质，大大加快了致密化和晶粒长大的过程，并达到极高的相对密度。比如对通常在液相烧结时使用的镍铁粉而言，当烧结进行时，镍铁粉熔化。尽管在固相钨(占95％的体分数)中液态镍铁的溶解度极小，但固态钨却易于溶解在液态镍铁中。一旦液体镍铁润湿钨粒并溶解一部分钨粉，钨颗粒则改变形状，其内部孔隙当液流进入时立即消失。过程继续下去，则钨颗粒不断粗化和生长，到最后产生接近100％致密且具有最佳显微组织的最终产品。用液相烧结制成高密度钨合金除密度高外还有比纯钨更好的冲击性能，其主要用途是制造高穿透力的军用穿甲弹。热强和耐磨合金作为最难熔的金属钨是许多热强合金的成分，如3%~15%的钨、25%~35%的铬、45%~65%的钴、0.5%~2.75%的碳组成的合金，主要用于强烈耐磨的零件，例如航空发动机的活门、压模热切刀的工作部件、涡轮机叶轮、挖掘设备、犁头的表面涂层。在航空和火箭技术中，以及要求机器零件，发动机和一些仪器的高热强度的其它部门中，钨和其它给熔金属(钽、铌、钼、铼)的合金用作热强材料。目前使用的知名超合金共有35～40个牌号，其中相当一部分的主成分之一为钨(见表)。合金组成(％)CrNiCoMoWNbTiAlFeC其他Fe-Ni基19-9DL19.99.01.251.250.40.366.80.301.10Mn，0.6SiNi基Rene80Rene95MAR-M247INMA-6000E14.014.08.2515.060.061.059.068.59.58.010.04.03.50.72.04.03.510.04.03.55.02.51.02.53.03.55.54.50.30.50.170.160.150.050.015B,0.03Zr0.01B,0.05Zr0.015B1.1Y2O3,2.0Ta,0.01B,0.15ZrCo基Haynesm25(L605)Haynesl88S-816X-40WI-52MAR-M3O2MAR-M5O9J-157020.022.020.022.021.021.523.520.010.022.020.010.010.028.050.037.042.057.563.558.054.546.04.015.014.54.07.511.010.07.04.00.24.03.03.0最大4.01.52.00.52.00.100.100.380.500.450.850.60.21.5Mn0.90La0.5Mn,0.5Si2.0Nb+Ta9.0Ta,0.005B,0.2Zr0.5Zr这些合金中钨的用量最低为0.6％，最高为15％，占有比例并不高，但从高温工程如航空工业和热电厂对他们的需求绝对数量看，其用量将十分可观。估计全球在超合金中，大约2/3以上用于航空航天业，1/7用于核电站、燃气涡轮电站，另1/7用于海事作业和运输业。3．钨在硬质合金的应用碳化钨基硬质合金钨的碳化物具有高的硬度、耐磨性和难熔性。这些合金含有85%~95%的碳化钨和5%~14%的钴，钴是作为粘结剂金属，它使合金具有必要的强度。主要用于加工钢的某些合金中，还含有钛、钽和铌的碳化物。所有这些合金都是用粉末冶金法制造的。当加热到1000~1100℃时，它们仍具有高的硬度和耐磨性。硬质合金刀具的切削速度远远地超过了最好的工具钢刀具的切削速度。硬质合金主要用于切削工具、矿山工具和拉丝模等。碳化钨在1000℃以上的高温仍能保持良好的硬度，是切削、研磨的理想工具。将钨粉(或W03)与碳黑的混合物在氢气或真空中于一定温度下碳化，即制成碳化钨(WC)，再将WC与金属粘结剂钴按一定比例配料，经过制粉、成型、烧结等工艺，制成刀具、模具、轧辊、冲击凿岩钻头等硬质合金制品。目前使用的碳化钨基硬质合金大体上可分为碳化钨—钴、碳化钨—碳化钛—钴、碳化钨—碳化钛—碳化钽(铌)—钴及钢结硬质合金等四类，在当前全球每年约5万吨钨的消费量中，碳化钨基硬质合金约占63％。据最近的消息，全球硬质合金的总产量约33000吨/年，消耗钨总供应量的50％～55％。4．钨合金在电子工业中的应用钨及其合金广泛应用于电子、电光源工业。用于制造各种照明用灯泡，电子管灯丝使用的是具有抗下垂性能的掺杂钨丝。掺杂钨丝中添加铼，由含铼量低的钨铼合金丝与含铼量高的钨铼合金丝制造的热电偶，其测温范围极宽(0～2500℃)，温度与热电动势之间的线性关系好，测温反应速度快(3秒)，价格相对便宜，是在氢气氛中进行测量的较理想的热电偶。利用金属钨的高熔点，在不丧失其机械完整性的前提下，成为电子的一种热离子发射体，比如作扫描电(子显微)镜和透射电(子显微)镜的电子源。还用于作X射线管的灯丝。在X射线管中，钨丝产生的电子被加速，使之碰撞钨和钨铼合金阳极，再从阳极上发射出X射线。为产生X射线要求钨丝产生的电子束的能量非常之高，因此被电子束碰撞的表面上的斑点非常之热，故在大多数X射线管中使用的是转动阳极，大尺寸的钨丝还用作真空炉的加热元件。在电子工业尤其是集成电路制造中，利用化学气相沉积(CVD)在衬底上形成薄膜的技术，是一项与粉冶技术生产钨的体材料(块材)产品完全不同的工艺。最常见的是用六氟化钨作CVD沉积过程的钨源。室温下的WF6是液体，但通过待涂覆的零件时WE6因本身极高的蒸气压而与氢气合流，在大约300℃通过WF6+3H2→W+6HF反应而有选择地涂在工件表面上。如沉积在集成电路上形成的钨通道(vias)作为小的金属插头可连接到电路板的另一条水平导线上。这种小插头的直径为0.4毫米，长径比为2.5，以后还可以把直径缩小到0.1毫米，使长径比达到5。由于钨具有优异的导电性，且不与周围的材料反应等条件，因此CVD法是填充通道、净化不需要钨的表面的唯一方法。电真空照明材料钨以钨丝、钨带和