鎢的性質和主要用途

2020-11-25 中國選礦技術網

    一、鎢的性質

    鎢的熔點為3410℃，沸點約為5900℃，熱導率在10～100℃時為174瓦/米·K，在高溫下蒸發速度慢、熱膨脹係數很小，膨脹係數在0～100℃時，為4.5×10－6·K－1。

    鎢的比電阻約比銅大3倍。電阻率在20℃為10－8歐姆·米。

    鎢的硬度大、密度高(密度為19.25克/釐米3)，高溫強度好，電子發射性能亦佳。

    鎢的機械性能主要決定於它的壓力加工狀態與熱處理過程。在冷狀態下鎢不能進行壓力加工。鍛壓、軋壓、拉絲均需在熱狀態下進行。

    常溫下鎢在空氣中穩定，在400-500℃鎢開始明顯氧化，形成藍黑色的緻密的W03表面保護膜。

    常溫下鎢不易被酸、鹼和王水浸蝕，但溶解於氫氟酸和王水的混合液內。

    二、鎢的主要用途

    鎢及其合金廣泛應用於電子、電光源工業。用於製造各種照明用燈泡，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製造的熱電偶，其測溫範圍極寬(0～2500℃)，溫度與熱電動勢之間的線性關係好，測溫反應速度快(3秒)，價格相對便宜，是在氫氣氛中進行測量的較理想的熱電偶。

    鎢絲不僅觸發了一場照明工業的革命，同時還由於它的高熔點，在不喪失其機械完整性的前提下，成為電子的一種熱離子發射體，比如作掃描電(子顯微)鏡和透射電(子顯微)鏡的電子源。還用於作X射線管的燈絲。在X射線管中，鎢絲產生的電子被加速，使之碰撞鎢和鎢錸合金陽極，再從陽極上發射出X射線。為產生X射線要求鎢絲產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非常之熱，故在大多數X射線管中使用的是轉動陽極。

    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克/釐米3 ，約為鐵(7.87克/釐米3 )的2.5倍，是周期系最重的金屬元素之一。基於鎢的這一特性製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用領域。採用液相燒結工藝，在鎢粉中同時加入鎳、鐵、銅及少量其他元素，即可製成高密度鎢合金。根據組分的不同，高密度鎢合金可分為鎢—鎳—鐵和鎢—鎳—銅兩個合金系。通過液相燒結，其密度可達17～18.6克／釐米3 。所謂液相燒結是指混合粉末壓坯在燒結溫度下有一定量液相存在的燒結過程。其優點在於液相潤溼固相顆粒並溶解少量固體物質，大大加快了緻密化和晶粒長大的過程，並達到極高的相對密度。比如對通常在液相燒結時使用的鎳鐵粉而言，當燒結進行時，鎳鐵粉熔化。儘管在固相鎢(佔95％的體分數)中液態鎳鐵的溶解度極小，但固態鎢卻易於溶解在液態鎳鐵中。一旦液體鎳鐵潤溼鎢粒並溶解一部分鎢粉，鎢顆粒則改變形狀，其內部孔隙當液流進入時立即消失。過程繼續下去，則鎢顆粒不斷粗化和生長，到最後產生接近100％緻密且具有最佳顯微組織的最終產品。

    用液相燒結製成高密度鎢合金除密度高外還有比純鎢更好的衝擊性能，其主要用途是製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的這一特性才發明WC-Co硬質合金的。由於WC-Co硬質合金作為切削刀具及拉伸、衝壓模具帶來了巨大的商機，很快在1926～1927年便實現了工業化生產。簡單地說，先將鎢粉(或W03)與碳黑的混合物在氫氣或真空中於一定溫度下碳化，即製成碳化鎢(WC)，再將WC與金屬粘結劑鈷按一定比例配料，經過制粉、成型、燒結等工藝，製成刀具、模具、軋輥、衝擊鑿巖鑽頭等硬質合金製品。

    目前使用的碳化鎢基硬質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(鈮)—鈷及鋼結硬質合金等四類，在當前全球每年約5萬噸鎢的消費量中，碳化鎢基硬質合金約佔63％。據最近的消息，全球硬質合金的總產量約33000噸/年，消耗鎢總供應量的50％～55％。

    鎢是高速工具鋼、合金結構鋼、彈簧鋼、耐熱鋼和不鏽鋼的主要合金元素，用於生產特種鋼的鎢的用量很大。

    鎢可以通過固溶強化、沉澱強化和彌散強化等方法實現合金化，藉以提高鎢材的高溫強度、塑性。通過合金化，鎢已形成多種對當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)及再結晶溫度。某些鎢錸合金經適當高溫退火處理後，延伸率可達到5％，遠較純鎢或摻雜鎢的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。

    我國研製的鈰鎢(W－CeO2)合金及用La2O3和Y203作彌散劑製成的鑭鎢、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並無反應因而不形成新相的粉冶複合材料。鎢銀、鎢銅合金實際上不是合金，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、銀的優異導電導熱性能與鎢的高熔點、耐燒蝕等性能，主要用作火箭噴嘴、電觸點及半導體支承件。國外一種北極星A-3飛彈的噴嘴就是用滲有10％～15％銀的鎢管制造的，重量達數百千克的阿波羅宇宙飛船用的火箭噴嘴也是鎢製造的。

    鎢鉬合金具有比純鎢更高的電阻率、更優異的韌性，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40年代為適應航空用渦輪發動機對高溫材料的需要，在隆隆的炮火中誕生了超合金。超合金由鎳基、鈷基、鐵基三類特種結構合金組成。它們在高溫(500～1050 ℃)下作業時仍能保持極高的強度、抗蠕變性能、抗氧化性能及耐蝕性。此外，它們在長達數年的使用期限內，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。這類性能對人命關天的航空航天產業萬分重要。

    目前使用的知名超合金共有35～40個牌號，其中相當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基

19-9DL

19.9

9.0

1.25

1.25

0.4

0.3

66.8

0.30

1.10Mn，0.6Si

Ni基
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基
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

    這些合金中鎢的用量最低為0.6％，最高為15％，佔有比例並不高，但從高溫工程如航空工業和熱電廠對他們的需求絕對數量看，其用量將十分可觀。估計全球在超合金中，大約2/3以上用於航空航天業，1/7用於核電站、燃氣渦輪電站，另1/7用於海事作業和運輸業。

    鎢的主要問題是諮源短缺。為此一些鎢資源短缺地區如歐洲開展了以鉬代鎢的研究，另外從節約材料的角度考慮，國外還出現了高工效的塗層硬質合金。估計硬質合金塗層本身在硬度、化學穩定性、耐磨性能、摩擦係數(要求低)、熱導率以及阻擋鈷和碳從基材(襯底)擴散的有效性等方面大體已經解決。

    在電子工業尤其是集成電路製造中，利用化學氣相沉積(CVD)在襯底上形成薄膜的技術，是一項與粉冶技術生產鎢的體材料(塊材)產品完全不同的工藝。最常見的是用六氟化鎢作CVD沉積過程的鎢源。室溫下的WF

6

是液體，但通過待塗覆的零件時WE

6

因本身極高的蒸氣壓而與氫氣合流，在大約300℃通過WF

6

+3H

2

→W+6HF反應而有選擇地塗在工件表面上。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線上。這種小插頭的直徑為0.4毫米，長徑比為2.5，以後還可以把直徑縮小到0.1毫米，使長徑比達到5。由於鎢具有優異的導電性，且不與周圍的材料反應等條件，因此CVD法是填充通道、淨化不需要鎢的表面的唯一方法。

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