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钨­ — 熔点最高的金属

发布时间:2024-06-24 04:33:50 作者: 旧版米乐体育app下载

  简介:《金属世界》依托于中国金属学会、中国有色金属学会,以报道中国冶金、有色金属及金属加工工业发...

  贾成厂,男,日本TOHOKU大学博士,日本神奈川科技园博士后,北京科技大学教授、博士生导师,,,主要社会兼职有中国复合材料学会理事、中国金属学会粉末冶金分会副理事长兼秘书长,《复合材料学报》、《粉末冶金技术》、《粉末冶金工业》等期刊的编委。主编、参译学术专著12本,获国家发明专利20余项,获教育部科学技术进步二等奖等多项奖励,发表学术论文190余篇,其中被SCI检索70余篇,被EI检索130余篇,单篇他引次数超过100次。

  周武平,男,钢铁研究总院教授级高级工程师,安泰科技股份有限公司副总裁,研究领域为难熔金属材料及粉末冶金材料,获国家级、省部级奖等多项奖励,发表学术论文的他引次数325次。

  内容导读:钨的熔点3410±20℃,是熔点最高的金属。钨是稀有金属,也是重要的战略物资。钨具有一系列优异的性能。钨的蒸气压很低,蒸发速度也较小,非常耐高温;化学性质也十分稳定,防止腐烂的性能非常好,在盐酸、硫酸和硝酸等强酸中都不溶解;密度在非贵金属中最高;硬度在金属中名列前茅;可塑性强;杨氏模量与强度高。钨及其合金绝大多数都是采用粉末冶金的方法所制备。钨在许多领域以纯金属状态与合金状态而得到普遍应用。钨主要使用在的工业领域有钢铁工业(高速钢、钨钢、钨磁钢等)、硬质合金、热强和耐磨合金、触头与高比重合金、电真空照明材料、密封与屏蔽、发汗材料等。

  俗话说“真金不怕火炼”,是由于金的熔点较高,有1063℃,并且金不能燃烧,在加热的情况下会被空气中的氧气氧化而变质,高温条件下性质稳定,所以正常的情况下,金不会熔掉。现在往往用来比喻人的品质好、意志坚强,经得起任何考验。这当然没错。但是,如果仅仅是从材料的熔点来看,就应该是“真钨不怕火炼”了,是因为钨具有最高的熔点。

  钨,元素符号W,灰黑色金属,有延展性,密度19.35g/cm3,熔点3410±20℃,是金属中熔点最高的,沸点5660℃。钨的英文名称是tunsten,瑞士文中“tung”的意思是“重”;“sten” 的意思是“石头”,因此钨早期曾被译成“重石”。

  钨具有一系列优异的性能。熔点最高,蒸气压很低,蒸发速度也较小,极耐高温,只有加热到很高温度,才能进行压力加工;化学性质稳定,防止腐烂的性能非常好,在室温下与空气和水都不发生作用,在盐酸、硫酸和硝酸中都不溶解;密度在非贵金属中最高;莫氏硬度7.5,维氏硬度3430 MPa,在金属中名列前茅;可塑性强,能够拔成直径仅有0.01mm的细丝;杨氏模量高达411GPa。

  1781年,Scheler发表了在瑞典发现的矿石tunsten的报告,有该矿石经过反应得到白色沉淀物,其中还有一种金属的氧化物,并不是钼的氧化物。

  1783年,在瑞典跟从Scheler工作的人员研究德国出产的一种棕黑色矿石,称之为wolframite,从这种矿石中分离出一种金属氧化物,与Scheler勒从tungsten中分离出的金属氧化物非常相似,但这种矿石不含有石灰,而含有铁与锰的氧化物。并且他们从这一金属氧化物中分离出金属,就称它为wolfram。这就成了钨的拉丁名称,元素符号定为W。

  后来的研究证明,被称作tungsten的白钨矿,其化学成分是钨酸钙CaWO4;而黑钨矿(wolfram)的化学成分是钨酸铁锰(Fe,Mn)WO4。

  李国钦(1892-1961),湖南人,1911年,在湖南省五岭山脉上除冈仙方,发现了一种国内还未见到的黑色矿砂,被他命名为“钨”。这是中国首次发现的钨矿,在我国矿冶工业史上具备极其重大的地位。

  早在18世纪50年代就发现了钨可提升钢的性能。但直到19世纪末、20世纪初,钨钢才开始生产与广泛应用。

  1900年在巴黎世界展览会上首次展出了高速切削工具钢(高速钢),性能优异,其切削速度是普通工具钢的数倍。高速钢的出现是金属切削加工领域的重大技术进步。此后,钨的制备工业得到了迅猛的发展。钨也就成为了最重要的合金元素之一。

  1900年,俄国科学家建议应用钨丝作为照明灯泡中的发热丝,其性能远高于碳丝。1909年俄国采用粉末冶金法的工艺方法制备钨,使钨这种金属逐渐在电真空技术领域得到了广泛应用。

  20世纪20年代以WC为主要成分的硬质合金被成功研制开发,这能够说是钨的发展史中的一个重要里程碑。硬质合金各方面的性能都超过了最好的工具钢,逐渐得到了广泛的使用。

  钨矿主要有黑钨矿、白钨矿、钨铁矿等。钨矿主要分布在中国、美国、俄罗斯、玻利维亚、葡萄牙以及韩国。中国是生产与使用钨的大国,钨的资源储量接近世界总储量的三分之二,产量与出口量也都居世界第一。全国钨资源储量主要分布于湖南、江西与河南。湖南是以白钨矿为主,江西则是以黑钨矿为主。

  全世界钨矿中白钨矿约占70%,其余是黑钨矿。按照目前的消耗速度,钨的矿藏仅够使用约140年。所以现在也采用回收的方法来获得钨。回收的钨比钨矿含量还要高,是可行的。

  当前,在我国,不仅需要加大力度来控制钨开采总量,还应该制定与完善产业政策,建立四位一体的国家钨储备机制,包括钨资源的战略储备、钨产品的商业储备、行业的自律与行业监督管理。还应尽快建立相关的法律体系,确保国家储备机制的有效运行。这样做,对保护钨的资源,稳定钨的市场,保障国家经济安全和战备安全都都具备极其重大的意义。

  对于金属材料(例如钢铁、铜、铝等),一般是采用熔炼、凝固(铸造)的方法来制备。但是对于金属钨,由于其熔点非常高,所以使其熔化所需要的能量就高,难度很大,成本也高。虽然说也能够使用电子束熔炼的方法将钨熔化,但却不能像一般的金属那样在炉(坩埚)中熔炼,在铸模中凝固。这是由于现在所可使用的所有耐火材料(氧化铝、氧化镁等)的熔点都远低于钨的熔点。因此,现在人们所使用的钨及其合金,几乎都是用粉末冶金的方法所制备的。

  以钨丝为例,其制备工艺如图1所示。包括由钨精矿分解、净化、结晶制备仲钨酸铵;焙烧仲钨酸铵得到氧化钨;用氢气还原氧化钨得到钨粉;研制钨粉得到压坯;对压坯进行预烧结提高其强度;对预烧结坯体直接通电烧结,即垂熔;对垂熔后的烧结体实施旋锻,得到钨棒;多道拔丝。

  仲钨酸铵,英文缩写为APT,是白色结晶,大多数都用在制造三氧化钨或蓝色氧化钨制金属钨粉。仲钨酸铵加热至600℃以上失去全部氨和结晶水,会转化为黄色的三氧化钨。

  钨有四种稳定的氧化物:黄色氧化物(WO3,图2),蓝色氧化物(WO2.90,图3),紫色氧化物(WO2.72)和棕褐色氧化物(WO2)。

  三氧化钨是柠檬黄色的晶体粉末,密度为7.2~7.4g/cm3,熔点约为1470℃,沸点在1700~2000℃之间,在700~900℃时,三氧化钨很容易被氢、一氧化碳和碳还原成金属钨。二氧化钨是一种巧克力色的粉末,密度为10.9~11.1g/cm3,沸点约为1700℃,在1020℃,二氧化钨可被还原成金属钨。

  钨粉是以氧化钨为原料用氢气还原而得到。采用氢还原法制取钨粉的工艺过程一般分为两个阶段:第一阶段在500~700℃温度下,三氧化钨还原成二氧化钨;第二阶段在700~900℃温度下,二氧化钨还原成钨粉。还原的化学反应方程式如图4所示。还原反应常在管式电炉或回转式炉中进行。钨粉的制取除了氢还原法外,早期还有采用碳还原法的,但是用这种方法得到的钨粉纯度较低,现在已基本上不用。

  垂熔是直接通电于粉末压坯,通过自身的电阻发热,从而进行烧结的方法。主要用于钨、钼等难熔金属的高温烧结。垂熔一般在水冷钟罩式垂熔炉内进行。

  垂熔后经连续在大、中、小型号的旋锻机上逐渐加工成φ3.0mm左右的锻杆。旋锻温度也逐渐降至1150~1250℃。

  钨能够以纯金属状态使用,还可以合金状态使用。合金状态主要包括合金钢(特别是钨钢)、硬质合金、强热合金、耐磨合金等。

  )钢铁工业。很多特种钢中都包含钨。高速钢中含有9%以上的钨,其特点是直到650℃的高温仍能够保持高的硬度和耐磨性。合金工具钢中含有最多可接近10%

  5.2%~6.2%,具有高的磁化强度和矫顽磁力。在军事领域,例如枪、炮、坦克等装备中的耐压、耐热等部件,大都是采用钨钢而制作。这样的炮筒、枪筒,即使是连续射击使得筒身发热滚烫,也能够保持良好的性能,包括强度、韧性与弹性等。图10.是超耐磨钨钢手表,图11是钨钢锯片。

  )具有高的硬度、耐磨性。硬质合金中的钴是作为粘结剂金属,能够提高合金的强度。硬质合金都是用粉末冶金法制造的。即使是加热到1000℃以上,硬质合金仍具有高的硬度和良好的耐磨性。硬质合金刀具的切削加工速度能够远远地超过工具钢刀具。硬质合金主要的应用领域包括切削工具、拉丝模、矿山工具等。关于硬质合金,可参考本刊2011年的文章《工业的牙齿——硬质合金》。

  3)热强和耐磨合金。热强合金都含有最难熔的金属钨,在要求强烈耐磨的零部件中,大多使用热强和耐磨合金,例如航空发动机的一些部件、涡轮机的叶轮、挖掘机的零部件等。在航空和航天领域,以及要求高热强度的机器零件,发动机、仪表仪器等部门中,采用钨及其合金用作热强材料。图12是发电的海上涡轮机,图13是水平尾翼,垂直尾翼及控制舵。

  和W-Ag合金,兼有钨的耐磨性、高温性能与铜(银)的良好的导热性、导电性。是非常好的触头材料,可以用来制造断路器、闸刀开关、点焊电极等部件。成分为W(90%~95%)-Ni-Cu或W-Ni-Fe的高比重合金,可用来制造飞行器控制舵的平衡锤、陀螺仪转子、放射性同位素的放射护罩等。用高比重钨合金制成穿甲弹头,能提高炮弹性能,用高比重钨合金制成的陀螺仪的惯性元件,能提高仪器的稳定性与控制精度。图

  、直径只有0.01mm的细丝。这种细丝在高达3000℃的环境中,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上选材料。白炽灯、碘钨灯,以及世界上最新颖的灯泡、灯管,都在使用钨丝。钨丝、钨带等还用于电子管生产、无线电电子学和X射技术中。高的发光效率能够由高的工作温度来保证,而丝的长寿命则可以由小的蒸发速度来保证。钨丝还可以用来制造电子振荡管的部件(例如阴极与栅极),高压整流器的阴极,各种电子仪器中的旁热阴极加热器等。钨还可以做X光管和气体放电管的阴极,无线电设备的触头、原子氢焊枪的电极等。作为高温炉(

  6)密封与屏蔽。由于钨的热胀性与硅酸硼玻璃类似,所以可用来做玻璃/金属密封。在放射性医学中钨被用作屏蔽物质,由于氟脱氧葡萄糖中的高能氟-18铅容器没办法使用,所以运输氟脱氧葡萄糖一般用钨容器。7

  3000℃。在此情况下,熔点最高的钨质喷管也不能胜任。未解决这一问题,科学家制造了一种新型钨合金——“自冷却渗银(铜)钨合金”,在多孔的钨骨架中渗入低熔点的银(或铜)。当火箭在空中高速飞行时,用这种新合金制造的高温度高压力喷管内的银(铜)在高温下首先蒸发,就如同人或动物出汗一样,吸收大量的热。这样,就能自动冷却,并防止温升过高,即使是遭受3000℃高温,喷管仍能够保持原有性质与功能。图16

  12.李桂芬,建立钨战略储备正当时,中国国土资源报,2008-12-24