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鎢系周評:鎢礦缺乏需求,
鎢的性質(zhì)和主要用途
作者:chen    文章來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載    更新時間:2011-7-13 9:11:07

鎢的性質(zhì)和主要用途


      )鎢的性質(zhì)

鎢的熔點(diǎn)為3410,沸點(diǎn)約為5900,熱導(dǎo)率在10100時為174/·K,在高溫下蒸發(fā)速度慢、熱膨脹系數(shù)很小,膨脹系數(shù)在0100時,為4.5×10-6·K-1。

鎢的比電阻約比銅大3倍。電阻率在2010-8歐姆·米。

鎢的硬度大、密度高(密度為19.25/厘米3),高溫強(qiáng)度好,電子發(fā)射性能亦佳。

    鎢的機(jī)械性能主要決定于它的壓力加工狀態(tài)與熱處理過程。在冷狀態(tài)下鎢不能進(jìn)行壓力加工。鍛壓、軋壓、拉絲均需在熱狀態(tài)下進(jìn)行

    常溫下鎢在空氣中穩(wěn)定,在400-500鎢開始明顯氧化,形成藍(lán)黑色的致密的W03表面保護(hù)膜。

    常溫下鎢不易被酸、堿和王水浸蝕,但溶解于氫氟酸和王水的混合液內(nèi)。

    ()鎢的主要用途

    鎢及其合金廣泛應(yīng)用于電子、電光源工業(yè)。用于制造各種照明用燈泡,電子管燈絲使用的是具有抗下垂性能的摻雜鎢絲。

    摻雜鎢絲中添加錸。由含錸量低的鎢錸合金絲與含錸量高的鎢錸合金絲制造的熱電偶,其測溫范圍極寬(02500),溫度與熱電動勢之間的線性關(guān)系好,測溫反應(yīng)速度快(3),價格相對便宜,是在氫氣氛中進(jìn)行測量的較理想的熱電偶。

    鎢絲不僅觸發(fā)了一場照明工業(yè)的革命,同時還由于它的高熔點(diǎn),在不喪失其機(jī)械完整性的前提下,成為電子的一種熱離子發(fā)射體,比如作掃描電(子顯微)鏡和透射電(子顯微)鏡的電子源。還用于作X射線管的燈絲。在X射線管中,鎢絲產(chǎn)生的電子被加速,使之碰撞鎢和鎢錸合金陽極,再從陽極上發(fā)射出X射線。為產(chǎn)生X射線要求鎢絲產(chǎn)生的電子束的能量非常之高,因此被電子束碰撞的表面上的斑點(diǎn)非常之熱,故在大多數(shù)X射線管中使用的是轉(zhuǎn)動陽極。

    此外大尺寸的鎢絲還用作真空爐的加熱元件。

    鎢的密度為19.25/厘米3 ,約為鐵(7.87/厘米3 )2.5倍,是周期系最重的金屬元素之一;阪u的這一特性制造的高密度的鎢合金(即高比重鎢合金)已成為鎢的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。采用液相燒結(jié)工藝,在鎢粉中同時加入鎳、鐵、銅及少量其他元素,即可制成高密度鎢合金。根據(jù)組分的不同,高密度鎢合金可分為鎢鐵和鎢銅兩個合金系。通過液相燒結(jié),其密度可達(dá)1718.6克/厘米3 。所謂液相燒結(jié)是指混合粉末壓坯在燒結(jié)溫度下有一定量液相存在的燒結(jié)過程。其優(yōu)點(diǎn)在于液相潤濕固相顆粒并溶解少量固體物質(zhì),大大加快了致密化和晶粒長大的過程,并達(dá)到極高的相對密度。比如對通常在液相燒結(jié)時使用的鎳鐵粉而言,當(dāng)燒結(jié)進(jìn)行時,鎳鐵粉熔化。盡管在固相鎢(95%的體分?jǐn)?shù))中液態(tài)鎳鐵的溶解度極小,但固態(tài)鎢卻易于溶解在液態(tài)鎳鐵中。一旦液體鎳鐵潤濕鎢粒并溶解一部分鎢粉,鎢顆粒則改變形狀,其內(nèi)部孔隙當(dāng)液流進(jìn)入時立即消失。過程繼續(xù)下去,則鎢顆粒不斷粗化和生長,到最后產(chǎn)生接近100%致密且具有最佳顯微組織的最終產(chǎn)品。

    用液相燒結(jié)制成高密度鎢合金除密度高外還有比純鎢更好的沖擊性能,其主要用途是制造高穿透力的軍用穿甲彈。

    碳化鎢在1000以上的高溫仍能保持良好的硬度,是切削、研磨的理想工具。1923年德國的施羅特爾(Schroter)正是利用WC的這一特性才發(fā)明WC-Co硬質(zhì)合金的。由于WC-Co硬質(zhì)合金作為切削刀具及拉伸、沖壓模具帶來了巨大的商機(jī),很快在19261927

年便實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。簡單地說,先將鎢粉(W03)與碳黑的混合物在氫氣或真空中于一定溫度下碳化,即制成碳化鎢(WC),再將WC與金屬粘結(jié)劑鈷按一定比例配料,經(jīng)過制粉、成型、燒結(jié)等工藝,制成刀具、模具、軋輥、沖擊鑿巖鉆頭等硬質(zhì)合金制品。

    目前使用的碳化鎢基硬質(zhì)合金大體上可分為碳化鎢鈷、碳化鎢碳化鈦鈷、碳化鎢碳化鈦碳化鉭()—鈷及鋼結(jié)硬質(zhì)合金等四類,在當(dāng)前全球每年約5萬噸鎢的消費(fèi)量中,碳化鎢基硬質(zhì)合金約占63%。據(jù)最近的消息,全球硬質(zhì)合金的總產(chǎn)量約33000/年,消耗鎢總供應(yīng)量的50%~55%。

    鎢是高速工具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、耐熱鋼和不銹鋼的主要合金元素,用于生產(chǎn)特種鋼的鎢的用量很大。

    鎢可以通過固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化等方法實(shí)現(xiàn)合金化,借以提高鎢材的高溫強(qiáng)度、塑性。通過合金化,鎢已形成多種對當(dāng)代人類文明有重大影響的有色金屬合金。

    鎢中加入錸(3%~26)能顯著提高延展性(塑性)及再結(jié)晶溫度。某些鎢錸合金經(jīng)適當(dāng)高溫退火處理后,延伸率可達(dá)到5%,遠(yuǎn)較純鎢或摻雜鎢的1%~3%為高。

鎢中加入0.4%~4.2%氧化釷(ThO2)形成的鎢釷合金,具有很高的熱電子發(fā)射能力,可用作電子管熱陰極、氬弧焊電極等,但ThO2的放射性長期未得到解決。

我國研制的鈰鎢(W-CeO2)合金及用La2O3Y203作彌散劑制成的鑭鎢、釔鎢合金(氧化物含量一般在2.2%以下)代替W-Th02合金,均已大量用作氬弧焊、等離子焊接與切割及非自耗電弧爐等多種高溫電極。

    鎢銅、鎢銀合金是一種組成元素間并無反應(yīng)因而不形成新相的粉冶復(fù)合材料。鎢銀、鎢銅合金實(shí)際上不是合金,故被視為假合金。鎢銀合金即是常提及的滲銀鎢。此類合金含20%~70%銅或銀,兼有銅、銀的優(yōu)異導(dǎo)電導(dǎo)熱性能與鎢的高熔點(diǎn)、耐燒蝕等性能,主要用作火箭噴嘴、電觸點(diǎn)及半導(dǎo)體支承件。國外一種北極星A-3導(dǎo)彈的噴嘴就是用滲有10%~15%銀的鎢管制造的,重量達(dá)數(shù)百千克的阿波羅宇宙飛船用的火箭噴嘴也是鎢制造的。

    鎢鉬合金具有比純鎢更高的電阻率、更優(yōu)異的韌性,已用作電子管熱絲、玻璃密封引出線。鎢作為合金元素,在有色金屬合金中要提及的還有超合金。上個世紀(jì)40年代為適應(yīng)航空用渦輪發(fā)動機(jī)對高溫材料的需要,在隆隆的炮火中誕生了超合金。超合金由鎳基、鈷基、鐵基三類特種結(jié)構(gòu)合金組成。它們在高溫(5001050 )下作業(yè)時仍能保持極高的強(qiáng)度、抗蠕變性能、抗氧化性能及耐蝕性。此外,它們在長達(dá)數(shù)年的使用期限內(nèi),可保證不會斷裂,也就是具有耐高周期疲勞和低周期疲勞的特性。這類性能對人命關(guān)天的航空航天產(chǎn)業(yè)萬分重要。

目前使用的知名超合金共有3540個牌號,其中相當(dāng)一部分的主成分之一為鎢(見表)。

某些超合金的組成部分                 (重量)%

合金

組成()

Cr               

Ni

Co

Mo

W

Nb

Ti

Al

Fe

C

其他

Fe-Ni

19-9DL

19.9

9.0

 

1.25

1.25

0.4

0.3

 

66.8

0.30

1.10Mn0.6Si

Ni
Rene80 Rene95
MAR-M247 INMA-6000E

14.0
14.0
8.25
15.0

60.0
61.0
59.0
68.5

9.5
8.0
10.0


4.0
3.5
0.7
2.0


4.0
3.5
10.0
4.0



3.5


5.0
2.5
1.0
2.5


3.0
3.5
5.5
4.5


<0.3
<0.5


0.17
0.16
0.15
0.05


0.015B,0.03Zr
0.01B,0.05Zr
0.015B
1.1Y2O3,2.0Ta,
0.01B,0.15Zr

Co
Haynesm25
(L605) Haynesl88 S-816
X-40
WI-52
MAR-M3O2 MAR-M5O9
J-1570 

 

20.0
22.0
20.0
22.0
21.0
21.5
23.5
20.0



10.0
22.0
20.0
10.0


10.0
28.0



50.0
37.0
42.0
57.5
63.5
58.0
54.5
46.0





4.0



15.0
14.5
4.0
7.5
11.0
10.0
7.0





4.0









0.2
4.0



 

3.0
3.0
最大
4.0
1.5
2.0
0.5

2.0



0.10
0.10
0.38
0.50
0.45
0.85
0.6
0.2



1.5Mn
0.90La

0.5Mn,0.5Si
2.0Nb+Ta
9.0Ta,0.005B,0.2Zr
0.5Zr,3.5Ta

這些合金中鎢的用量最低為0.6%,最高為15%,占有比例并不高,但從高溫工程如航空工業(yè)和熱電廠對他們的需求絕對數(shù)量看,其用量將十分可觀。估計全球在超合金中,大約2/3以上用于航空航天業(yè),1/7用于核電站、燃?xì)鉁u輪電站,另1/7用于海事作業(yè)和運(yùn)輸業(yè)。

鎢的主要問題是咨源短缺。為此一些鎢資源短缺地區(qū)如歐洲開展了以鉬代鎢的研究,另外從節(jié)約材料的角度考慮,國外還出現(xiàn)了高工效的涂層硬質(zhì)合金。估計硬質(zhì)合金涂層本身在硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨性能、摩擦系數(shù)(要求低)、熱導(dǎo)率以及阻擋鈷和碳從基材(襯底)擴(kuò)散的有效性等方面大體已經(jīng)解決。

在電子工業(yè)尤其是集成電路制造中,利用化學(xué)氣相沉積(CVD)在襯底上形成薄膜的技術(shù),是一項(xiàng)與粉冶技術(shù)生產(chǎn)鎢的體材料(塊材)產(chǎn)品完全不同的工藝。最常見的是用六氟化鎢作CVD沉積過程的鎢源。室溫下的WF6是液體,但通過待涂覆的零件時WE6因本身極高的蒸氣壓而與氫氣合流,在大約300通過WF6+3H2W+6HF反應(yīng)而有選擇地涂在工件表面上。如沉積在集成電路上形成的鎢通道(vias)作為小的金屬插頭可連接到電路板的另一條水平導(dǎo)線上。這種小插頭的直徑為0.4毫米,長徑比為2.5,以后還可以把直徑縮小到0.1毫米,使長徑比達(dá)到5。由于鎢具有優(yōu)異的導(dǎo)電性,且不與周圍的材料反應(yīng)等條件,因此CVD法是填充通道、凈化不需要鎢的表面的唯一方法。


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