材料鎢性質(zhì)及用途

1、（一）鎢的性質(zhì)鴇的熔點(diǎn)為3410C，沸點(diǎn)約為5900C，熱導(dǎo)率在10100C時(shí) 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 0100C 時(shí)，為 4.5X10-6K-1。鴇的比電阻約比銅大3倍。電阻率在20C為10-8歐姆米。鴇的硬度大、密度高（密度為19.25克/厘米3），高溫強(qiáng)度好，電 子發(fā)射性能亦佳。鴇的機(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)下鴇不能進(jìn)行壓力加工。鍛壓、軋壓、拉絲均需在熱狀態(tài)下進(jìn)行。常溫下鴇在空氣中穩(wěn)定，在400-500C鴇開始明顯氧化，形成藍(lán) 黑色的致密的W0表面保護(hù)膜。3常溫下鴇不易被酸、堿和王水浸蝕，但溶解于氫氟酸和王水的混

2、 合液內(nèi)。（二）鎢的主要用途鴇及其合金廣泛應(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鴇絲。摻雜鴇絲中添加銖。由含銖量低的鴇銖合金絲與含銖量高的鴇銖 合金絲制造的熱電偶，其測溫范圍極寬（02500C），溫度與熱電動(dòng) 勢之間的線性關(guān)系好，測溫反應(yīng)速度快（3秒），價(jià)格相對便宜，是在 氫氣氛中進(jìn)行測量的較理想的熱電偶。鴇絲不僅觸發(fā)了一場照明工業(yè)的革命，同時(shí)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

3、鎢和 鎢銖合金陽極，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(dòng)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(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。采用液相 燒結(jié)工藝，在鎢粉中同時(shí)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一鎳一鐵和 鎢一鎳一銅兩個(gè)合金系。通過液相燒結(jié)，其密度可達(dá)1718.6克/

4、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(shí)使用的鎳鐵粉而言，當(dāng)燒結(jié)進(jìn)行時(shí)，鎳鐵粉 熔化。盡管在固相鎢（占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(shí)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

5、用途是制造高穿透力的軍用穿甲彈。碳化鎢在1000C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(或W0)與碳黑的混合 3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)劑鉆按一定比例配料，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一鉆、碳化鎢 一碳化

6、鈦一鉆、碳化鎢一碳化鈦一碳化鉭(鈮)一鉆及鋼結(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(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。某些鎢銖合金經(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

7、的1%3%為高。鎢中加入0.4%4.2%氧化釷(ThO )形成的鎢釷合金，具有很高2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-CeO )合金及用La O和Y0作彌散劑制成的鑭22 32 3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

8、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(gè)世紀(jì)40年代為適應(yīng)航空用渦輪發(fā)動(dòng)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、鉆基、 鐵基三類特種結(jié)構(gòu)合金組成。它們在高溫(5001050 C)下作業(yè)時(shí)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

9、不會(huì)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(gè)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（%）CrNiCoMoWNbTiAlFeC其他Fe-Ni199.1.1.0.0.660.1.10Mn，基.90252543.8300.6Si19-9DLNi基Rene8014609.4.4.5.3.0.0.015B,0.0Rene95.0.05003.000173ZrMAR-M214618.3.3.52.3.30.0.01B,0.0547.0.005555016ZrINMA-68.

10、59100.101.5.50.0.015B000E25.0.07.005151.1YO,2.02 315682.4.2.4.0.Ta,.0.50055050.01B,0.15ZrCo基Haynesm251050150.1.5Mn(L605)20.0.0.03.100.90LaHaynes.022374.144.00.l8822.0.00.503.0100.5Mn,0.5SS-816.020424.0.i最大X-4020.0.004.382.0Nb+TaWI-52.010577.0.00.9.0Ta,0.005BMAR-M322.0.5521.50,0.2ZrO2.063114.50.0.5Zr

11、,3.5TMAR-M521.5.002.45aO9.010581000.J-157021.0.0.00.85.528547.50.23.0.506.5462.0.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(jì)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(jì)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)率以及阻擋鉆和碳從基材（襯底） 擴(kuò)散的有效性等方面大體已經(jīng)解決。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