一 钨

钨从发现到工业上开始应用, 经历了一百多年的时间, 但钨在工业上获得广泛应用是在十九世纪末二十世纪初。

钨位于元素周期表Ⅵ族, 原子序数74, 原子量183.85。钨在地壳中的含量平均为0.0069%, 呈十八种以上钨的天然化合物存在, 其中黑钨矿(包括钨锰铁矿、钨锰矿和坞铁矿)和白钨矿最具工业价值。当前世界上有三十二个国家和地区产钨, 年产钨约4.0~4.5万吨金属量(WO₃), 八十年代初年产钨曾高达6.5~7.0万吨金属量(WO₃)。其中约70%产自黑钨矿, 25%产自白钨矿。世界上钨的工业储量估计约600多万吨金属量(WO₃)。我国钨矿开采历史悠久, 储量和产量均居世界首位。

钨的主要特性:一是比重高, 达19.35, 为铜的2.2倍, 铝的7.1倍; 二是熔点和沸点高, 熔点高达3410 ± 20 ℃, 是所有金属中最难熔的金属; 沸点高达7500 ± 200 C; 三是钨除了具有极高熔点外, 还有非常高的弹性模数、不寻常的高温强度和所有金属中的最低蒸气压:四是硬度高达6.5、7.5, 并有很好的延展性, 是制造高硬度高比重合金的优良金属材料; 五是耐磨蚀性能很强, 室温下钨不和水反应, 不受空气侵蚀, 也不与任何浓度的盐酸、硫酸或氢氟酸发生反应, 在无氧化剂存在时, 钨对碱和氨的水溶液以及王水都具有稳定的抗腐蚀性能, 也能抵抗熔融的氢氧化钠或氢氧化钾的侵蚀; 六是在一定条件下, 钨能与金属元素和非金属元素冶炼或化合成各种独具性能与用途的合金或化合物, 其化合价是从- 2到+ 6, 在高化合价时, 钨呈酸性, 在低化合价时, 钨呈碱性。钨的金属类化合物与非金属类化合物的分界线就是在周期表中沿着硼、硅、砷、碲、砹等元素的左侧自上而下所划的对角线。

钨的这些优良特性决定着它在现代化工、纺织、油漆、机械、仪表、电器、电子、军火、原子能、宇航、火箭等工业和科学技术领域中获得越来越广泛的应用。应用范围主要包括各种特种钢、合金钢、切削工具钢、以碳化钨为主的各种硬质合金、耐热耐磨合金、超级合金、钨复合材料、钨丝、钨带、钨管和钨化合物颜料、假漆、催化剂和媒染剂等。

大部分钨是用来生产各种特种钢, 在工具钢(包括高速钢、热作钢、冷作钢和抗冲击钢)、不锈钢、高熔点合金和抗热仿腐超级合金中, 钨是一种重要的合金元素, 起高效强化剂晶粒细化剂的作用。具有广泛用途的高速钢, 其组份为9~34%W, 3.8~4.6% Cr, 1~1.5% V, 4~10% Co, 0.7~1.5% C, 在空气中和高温(700~800℃)下强制退火的自硬性以及在600~650 ℃时仍能保持其硬度和耐磨性, 用来制造套丝工具、拉刀、齿轮刀具、电动刀具、木工刀具以及一些长冲程冲具和冲模。

热作工具钢的组份为9~18% W, 2~12% Cr 0.35~0.65% C, 有的还分别含有1.5~8.0% Mo和0.4~2% V, 广泛用于挤压模、热拉拔模、剪切刀、热切刀具、夹紧模、锻模、热顶锻锤、夹具、球模、修整模及其它要求耐磨抗冲击的场合。

冷作工具钢比低碳钢有更长的寿命和较好的不变形性, 其组份为0.5~1.75% W, 0.5~12% Cr 0.9~2.25% C, 有的还含有1% Mn, 用于金属冷成形工艺中的冲割、成形、压印和修整等模具以及用来制造螺纹滚压模、轴衬、冷成形轧辊、量具、拉刀和丝锥等。

抗冲击工具钢, 如钨—铬钢, 用于大剪切刀、冲头、风钻、铆钉铲和冲击器。

以碳化钨为主要成份的硬质合金, 其组成一般为85~95%的钨和碳, 5~14%的钴或少量钛、镍、钽、铌等粘结添加剂。主要用于高速(速度达150~250米/分或更高)切削工具和凿岩工具, 包括车、刨、铣、镗、铰、锉、拉削、剪切等刀具和矿山的凿岩机、钻机的钻头; 也广泛用于顶锻模、拉模、极薄钢板多辊轧机的轧辊和穿甲弹的弹芯。在不要求合金的高强度而仅要求高硬度和强抗磨性的情况下(如拉丝模、低速凿岩工具等), 则仅用碳化钨钢,

熔铸碳化钨硬质合金包括W₂C和WC与W₂C的共熔体, 以铸件或碎粒形式应用于喷射、注射和射流喷嘴、机器上的导环、纺织机械的螺纹导杆、车床和磨床的中心器、电铲爪子和齿斗、千分尺测砧、球点测斗、布氏硬度压印球、挤压模、顶锻模、拉丝模、支承垫和支承辊等。美国近二十多年来还应用碳化钨钢来制造汽车轮胎的特殊掌钉, 适于雪地行驶, 据报导, 美国已有一半的汽车轮胎使用这种特殊掌钉。

钨作为最难熔金属, 是一系列抗热耐磨合金的重要组份。名为“斯特莱特” (Stellites)合金是由3~5% W, 25~35% Cr, 45~65% Co和0.5~2.75% C所组成, 主要用于抗热耐磨机器的表面镀层, 如阀门、飞机零件、热切削压模刀具、涡轮机叶片、挖土机和推土机的尖齿、螺旋运送器、提升机、破碎机、船舶推进器轴、汽车水泵轴和燃油泵轴等轴承、轧机导向器等.

含钨高熔点合金用于高温燃气涡轮机叶片、火箭喷嘴、火焰档板、X射线靶和高温防腐管路与容器。

镍基、铁基和钴基含钨超级合金的最重要用途是用于飞机、轮船、空间飞行器、燃气涡轮机、固定发电机组的涡轮叶片, 也可用于炉子燃烧管、马弗炉、裂化重整管和其它高温的场合。另外一些难熔金属钽、铌、钼、铼与钨的合金用于制造航空、火箭等高抗热性的发动机和仪表部件以及核反应堆的管道系统; 钨—铼族合金还用于在高湿度和耐腐蚀性环境中使用的电触点及用作真空炉、氢气炉和涡轮机或反应器燃烧室中的热电偶, 普遍使用的高温热电偶的组成是W/W — 25 Re和W— 3 Re / W— 25 Re; 也用于电灯、电子管灯丝和X射线靶。

钨也是磁钢的重要组份, 如含5.2~6.2% W, 0.68~0.78% C和0.3~0.5% Cr的钨铬磁钢与含11.5~14.5% W、5.5~6.5% Mo、11.5~12.5% Co的钨钴磁钢, 都具有很高的磁场强和矫顽磁力, 用来制造永磁块、永磁铁磁性转子及其它磁性部件。

钨复合材料包括含钨高比重合金、熔渗银钨与熔渗铜钨、钨纤维强化复合材料也有广泛的用途。高比重合金用于惯性导向系统、航海设备中的陀螺仪转子、飞机的副翼与平衡重块、制动器飞轮或旋转部分的轮箍部件、钻机的钻杆与工具手栖、把手和自动手表紧弦机构中的致动器、放射性物质的屏蔽或容器材料、铜丝铜条电阻焊电极, 也用作半导体衬片、切削黄铜和铝压铸件的刀具材料、流量计浮子和弹芯; 熔渗银钨和熔渗铜钨用于电触点、半导体支座, 最近在火箭喷嘴上用作主要结构材料, 包括火箭阀门和火箭喷嘴等; 钨—铜合金和钨—银合金用于制造刀形开关、断路器、电焊电极和电工合金触头; 钨纤维强化复合材料用于燃气涡轮机叶片和火箭喷嘴喉部内衬等。

钨丝主要用于白炽电灯灯丝、荧光灯中的加热元件、电灯傍丝、电子发射体、电子加热器和栅极丝、真空金属喷镀加热丝和高温炉中的加热元件, 在真空、惰性气氛或减压的高温炉中, 钨以丝、棒、带或管等形状用作加热元件。钨条主要用于灯丝的支体、玻璃—金属封接, 电触点、弧光灯电极等。除钨丝、钨条外, 其它形状的钨同样也用来制造真空管的各种零件, 如真空管的弹簧触点、X射线管和发射管的各种形状的阳极。

钨化合物的用途也相当广泛。钨酸在纺织工业上用作媒染剂, 在化学工业上用作高正辛烷苯的催化剂。钨青铜, 即碱金属和碱土金属的钨酸盐, 作为青铜的代用品用于装饰油漆中。钨酸钠在纺织工业中用作纺织物的加重剂, 也用来生产磷钨酸和磷钨钼酸的酸性有机染料和颜料, 其色泽好, 耐晒, 不溶于水和亚麻油, 可应用于油质或水质的颜料、油墨、塑料、橡胶, 造纸和石蜡中。钨酸钙和钨酸镁在荧光灯和电视显象管中用作荧光材料。钨酸与硫酸铵和磷酸钠混合后用来制造防火、防水织物。二硫化钨用作固体润滑剂, 在有机合成中用作合成苯的催化剂。钨酸铵和三氧化钨, 二硫化钨在石油工业中的加氢处理、加氢裂化、脱氢、异构化、聚合、重整、水化、脱水、羟基化和环氧化等过程中用作催化剂。W(CO)₆、WF₆和WCl₆等用于化学气相沉积工艺, 在轴承、模具、辊子、量具上获得耐强酸的钨复盖层。WSe₂可在高温高真空条件下用作干润滑剂。