鎢的性質(zhì)和主要用途
一)鎢的性質(zhì)
鎢的熔點為3410℃，沸點約為5900℃，熱導(dǎo)率在10～100℃時為174瓦/米·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/厘米3)，高溫強度好，電子發(fā)射性能亦佳。
鎢的機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)下鎢不能進行壓力加工。鍛壓、軋壓、拉絲均需在熱狀態(tài)下進行
常溫下鎢在空氣中穩(wěn)定，在400-500℃鎢開始明顯氧化，形成藍黑色的致密的W03表面保護膜。
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)。
(二)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(0～2500℃)，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(fā)了一場照明工業(yè)的革命，同時還由于它的高熔點，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(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克/厘米3 ，約為鐵(7.87克/厘米3 )的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—鎳—鐵和鎢—鎳—銅兩個合金系。通過液相燒結(jié)，其密度可達17～18.6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)進行時，鎳鐵粉熔化。盡管在固相鎢(占95％的體分數(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，很快在1926～1927
年便實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。簡單地說，先將鎢粉(或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(鈮)—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噸/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。
鎢可以通過固溶強化、沉淀強化和彌散強化等方法實現(xiàn)合金化，借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(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(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La2O3和Y203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、耐燒蝕等性能，主要用作火箭噴嘴、電觸點及半導(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40年代為適應(yīng)航空用渦輪發(fā)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(jié)構(gòu)合金組成。它們在高溫(500～1050 ℃)下作業(yè)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(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35～40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,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、燃氣渦輪電站，另1/7用于海事作業(yè)和運輸業(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+3H2→W+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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