钨的性质和主要用途

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江苏省金属学会 2014-10-31 10:46 评论(0 浏览(2759

()钨的性质

钨的熔点为3410℃,沸点约为5900℃,热导率在10100℃时为174/米·K,在高温下蒸发速度慢、热膨胀系数很小,膨胀系数在0100℃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/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。

    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。

    ()钨的主要用途

    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(02500),温度与热电动势之间的线性关系好,测温反应速度快(3),价格相对便宜,是在氢气氛中进行测量的较理想的热电偶。

    钨丝不仅触发了一场照明工业的革命,同时还由于它的高熔点,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。

    此外大尺寸的钨丝还用作真空炉的加热元件。

    钨的密度为19.25/厘米3 ,约为铁(7.87/厘米3 )2.5倍,是周期系最重的金属元素之一。基于钨的这一特性制造的高密度的钨合金(即高比重钨合金)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1718.6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(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。

    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。1923年德国的施罗特尔(Schroter)正是利用WC的这一特性才发明WC-Co硬质合金的。由于WC-Co硬质合金作为切削刀具及拉伸、冲压模具带来了巨大的商机,很快在19261927

年便实现了工业化生产。简单地说,先将钨粉(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()—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/年,消耗钨总供应量的50%~55%。

    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,用于生产特种钢的钨的用量很大。

    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La2O3Y203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(5001050)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。

目前使用的知名超合金共有3540个牌号,其中相当一部分的主成分之一为钨(见表)

某些超合金的组成部分                 (重量)%

合金

组成()

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

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。

钨的主要问题是咨源短缺。为此一些钨资源短缺地区如欧洲开展了以钼代钨的研究,另外从节约材料的角度考虑,国外还出现了高工效的涂层硬质合金。估计硬质合金涂层本身在硬度、化学稳定性、耐磨性能、摩擦系数(要求低)、热导率以及阻挡钴和碳从基材(衬底)扩散的有效性等方面大体已经解决。

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+3H2W+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。

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