熔点Z高的金属

　　钨，元素符号W，灰黑色金属，有延展性，密度19.35g/cm³，熔点3410±20℃，是熔点Z高的金属，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”。

金属钨简介

　　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，所以一般情况下，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，这是因为钨具有Z高的熔点。

　　钨具有一系列优异的性能。熔点Z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，防腐性能非常好，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Z高;莫氏硬度7.5，维氏硬度3430MPa，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。

金属钨的历史

　　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ZG首次发现的钨矿,在我国矿冶工业史上具有重要的地位。

　　早在18世纪50年代就发现了钨能够提高钢的性能。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Z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，这可以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Z好的工具钢，逐渐得到了广泛的使用。

金属钨的资源

　　钨属于稀有金属，也是一种重要的战略物资。

　　钨矿主要有黑钨矿、白钨矿、钨铁矿等。钨矿主要分布在ZG、美国、俄罗斯、玻利维亚、葡萄牙以及韩国。ZG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diyi。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管。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有重要的意义。

金属钨的制备

　　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。虽然说也可以采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。这是由于现在所能够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，主要用于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)，蓝色氧化物(WO_2.90)，紫色氧化物(WO_2.72)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：diyi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℃。

　　Z后拔丝，结果多道拉拔，能够得到非常细的钨丝。

金属钨的用途

　　1、灯泡中的灯丝

　　钨的Z古老而又Z广泛的用途之一就是作为白炽灯泡中的灯丝;实际上，照明工业的特殊需要对于钨的发展提供了更多的动力。在过去时间里，人们曾经把很大的力量投入到开发由碳、铂、饿和钼丝做成灯丝，然而事实表明，在满足灯丝用途方面，它们还不如性能优异的钨。

　　为了Z大程度地发挥发光效率，利用铁或者钼作为型芯，把钨丝做成线圈或者复绕成双螺旋，再用优先溶解的方法去除铁芯或铝芯。在拉伸状态的钨丝中具有纤维状的晶粒组织，这对于绕丝操作来说是至关重要的。因为只有在这样的显微组织状态下，灯丝才具有足够的强度和塑性，从而适应在绕丝过程中承受的应力和应变。

　　2、放电灯的电极

　　电极的正常作用是把电能导入放电灯管中，并且提供大量的电子来源保持放电。电极材料必须是良好的电子发射体，还能够在高温下工作:一般说来是在1000~2500℃温度下，但是有时也在接近熔点的更高温度下运行，因为只有在这样的高温下才能够保持必须的放电发射密度。钨是这种用途的shou选材料，其次才是钽。

　　钨在高于2000℃的温度下才具有发射大量电子的能力;但是，在这样高的运行温度下，灯管的寿命受到限制。不过，通过一种或者多种碱土金属氧化物涂复电极，可以大大地增强电子发射，另外，3%氧化钍微细弥散物亦能通过一定的机制而增强钨的电子发射能力。

　　3、炉子组合件

　　高熔点、高蠕变强度、低蒸汽压力和低挥发速度的结合，使钨成为有利于作为各种炉子零件的金属材料。这样的一些零件需要在接近3000℃的温度上操作。人们利用钨来制造加热元件和热屏蔽;加热元件由丝、片、网或带等做成，还可以用钨制造其它一些零、部件和特殊支架结构，例如基座、舟皿、圆盘和管道等。

　　值得注意的是，因为钨在抗氧化方面的局限性，钨制炉子零件只能在控制的环境下使用，例如在真空、氢气或者惰性气体等中。

　　4，离沮弹簧

　　钨丝的高弹性模量和高屈服强度，加上钨的抗再结晶和抗热脆性能，使其特别地适合于制造一些装置中的螺旋弹簧。这些装置或者在制造过程中处于高温烘烤条件下，或者暴露于很高的使用温度下。使用钨弹簧对于仪表吊架和阀门等都具有良好的影响。

　　5、玻璃-金属密封

　　钨丝或者钨棒广泛地用作灯泡、电子器件、热离子阀门和真空室连接器中玻璃-金属密封的电引线。在这里，钨的特殊性能可以发挥很好的作用。例如，改善的纤维晶粒组织稳定性和比较大的抗再结晶能力将YZ钨零件在密封过程中的脆变，而且，即使出现了再结晶，具有较少晶粒边界的粗大晶粒的产生没有不利的影响。

　　为了达到长期有效的密封，所用的钨必须不包含表面缺陷，例如积深的拉拔线痕迹，微观裂纹或者气孔，因为所有这些缺陷都会形成潜在的漏电通道。钨的表面抛光在这种用途中是头等重要的。因为钨很容易氧化，所以必须采取一些措施，防止在密封过程中发生过分的氧化。一般说来，通过在密封前往玻璃上施加涂层的钨丝，就可以达到这一目的。

　　6、纤维复合材料

　　多年以来，人们做了大量的开发工作，其目的是制造具有高强度、高刚性和钨高温强度优点的纤维复合材料。但是，在这样的温度下，钨的机械强度高是其突出的优点，而基体和钨之间的相互作用则是一个客观存在的问题。例如，在高于1000℃左右的温度下，镍、铁和碳开始扩散到钨中，促使晶粒边界迁移和形成化合物。

　　因此，必须研制界面阻挡层，它应该与纤维和基体都具有足够的高温相容性:日前，已经在开发于钨丝上沉积硼涂层，而形成高强度和高刚性硼纤维复合材料方面取得了一些成功。

　　7、阴极灯丝和栅极

　　长期以来，人们一直使用各种钨来作为阴极灯丝、发射机和接收机电子管和行波管。加热器和栅极阴极表面在诸如热和光之类几种能量形式影响下发射电子。然后，发射出来的电子在电场或者磁场控制下产生特殊的功能。

　　事实表明，在这种用途中，只有钨和钽才是有效的，并且已经成功地应用在热电子发射器中了。利用含有钡和锶的化合物涂复金属，可以进一步提高电子发射强度，这就是所谓的活化法。