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                                                  院士论钨

                                                  当前位置:首页 - 院士论钨

                                                   的名字起源可能出自德文Wolf Rahm(这表示为狼的唾沫或狼的浮沫),它与熔炼锡有关,因在熔炼锡时钨形成的浮沫减少了锡的金属产出率,人们将这种浮沫表示为狼的唾沫,钨的矿石称为狼石。
                                                    1871年瑞典化学家КВ.Щ.ееле用酸分解白钨矿时,析出一种新元素的酸,1873年曾确定这种新元素含于锡矿石中经常见到的另一种矿物——黑钨矿中。同年,西班牙人Эльгуйир兄弟用碳还原三氧化钨,首次得到金属钨粉。
                                                    18世纪50年代曾发现钨对钢性质的影响。然而,钨钢开始生产和广泛应用是在19世纪末和20世纪初。
                                                    1900年在巴黎世界展览会上,首次展出了高速钢。因此,钨的提取工业从此得到了迅猛发展。这种钢的出现标志了金属切割加工领域的重大技术进步。钨成为最重要的合金元素。
                                                    1900年,俄国发明家А.Н.Ладыгин首先建议在照明灯泡中应用钨。在1909年Кулидж制定基于粉末冶金法,采用压力加工的工艺方法之后,钨才有可能在电真空技术中得到广泛的应用。
                                                     1927~1928年采用以碳化钨为主成分研制出硬质合金,这是钨的发展史中的一个重要阶段。这些合金各方面的性质都超过了最好的工具钢,在现代技术中得到了广泛的使用。
                                                    钨是稀有高熔点金属,属于元素周期系中第六周期(第二长周期)的 VIB族。钨是一种银白色金属,外形似钢。钨的熔点高,蒸气压很低,蒸发速度也较小。它的主要物理性质如下:
                                                    元素符号  W
                                                    原子序数  74
                                                    稳定同位素及其所占%  180(0.14);182(26.41); 183(14.40);184(30.64);186(28.41)
                                                    相对原子质量183.85
                                                    自由原子的电子层结构  1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25P65d46S2
                                                    原子体积  9.53 cm3/mol
                                                    密度  19.35 g/cm3
                                                    晶体结构及晶格常数  α-W:体心立方    a=3.16524 nm(25℃)
                                                        β-W:立方晶格    a=5.046 nm(630℃以下稳定)
                                                    熔点  3410±20℃
                                                  沸点  5927℃
                                                    熔化潜热  40.13±6.67kJ/mol
                                                    升华热  847.8 kJ/mol(25℃)
                                                    蒸发热  823.85±20.9kJ/mol(沸点)
                                                    电阻温度系数  0.00482 I/℃
                                                    电子逸出功  4.55 eV
                                                    热中子俘获面  19.2 b
                                                    弹性模量  35000~38000 MPa(丝材)
                                                    扭力模量  ~36000Mpa
                                                    体积模量  3.108×1011-1.579×107t+0.344×103t2 Pa
                                                    剪切模量  4.103×1011-3.489×107t+7.55×103t2 Pa
                                                    压缩性  2.910-7 cm/kg
                                                    钨有两种变型,α和β。在标准温度和常压下,α型是稳定的体心立方结构。β型钨只有在有氧存在的条件下才能出现。它在630℃以下是稳定的,在630℃以上又转化为α钨,并且这一过程是不可逆的。
                                                    在灯丝材料中,用铼或钴可进一步提高钨铝合金性能。当加入3%的Re时,WAl2灯丝经2750℃退火3min的延伸率可达25.7%。即使Re含量低到0.25%,其延伸率也可达6%;若在钨铝合金中加入0.01~0.03的Co,其合金丝在2700℃退火5min后,其弯曲延性相当于WAl2丝的三倍,耐震强度可提高三倍,这里,钴的作用是提高再结晶温度,长大后晶粒的晶界形状。另外,钴还起脱氧作用。当用W-Co-1%ThO2合金做灯丝时,其抗震性能增加十倍。
                                                    在通常的条件下,钨是很稳定的金属。在20℃的空气或氧气中不反应,但是它在空气中加热时,颜色开始变成暗灰黑色。当加热到400℃时,钨开始氧化,以后随加热温度升高,氧化加剧。在更高的温度下,钨逐渐被氧化面黄色的三氧化钨(WO3)。但当空气湿度较大时,即使在常温下钨粉也会被套逐渐氧化,在其表面上覆盖一层蓝紫色的中间氧化薄膜。
                                                    在任何温度下,钨与氢气不起作用,即不生成化合物。温度在1500℃时,氢在钨中的溶解度很小,因而钨的处理和机械加工可以在氢气气氛中进行。但在高真空下,用钨丝作阴极通以强电流,可以生成氢化钨(WH2)。
                                                    钨在600~700℃的水蒸气中将急剧氧化,形成三氧化钨。
                                                  W+3H2O WO3+3H2
                                                    在1500℃以上形成氮化物,钨有三种氮化物:WN2、W3N2和W2N3。
                                                    钨在所有温度下都不与氨气起作用。
                                                    钨在800℃以上的温度下与一氧化碳形成碳化物,在1200℃以上的温度下与钨发生氧化。钨与碳及一些含碳气体(如CO、CH4、C2H4等)反应激烈, 生成碳化钨(WC与W2C)。钨中即使含有少量碳化钨,也能引起钨发脆和显著降低导电率。
                                                    在高温下二氧化硫会使钨发生氧化。
                                                    在任何温度下,氟都可以强烈腐蚀钨。
                                                    在250~300℃时钨与氯气生成六氢化钨(WCl6),若有空气和水气存在,则生成氯氧化物。
                                                    在赤热温度下,溴和碘会腐蚀钨。
                                                    在赤热温度下,硫化氢与钨的表面起作用。
                                                    钨与硫在~880℃形成硫化物。
                                                    钨与硅在1000℃形成硅化物。
                                                    在高温时,钨与硼生成硼化物。
                                                    锌不腐蚀钨。
                                                    铝镁氧化物在1900℃以上与钨发生氧化。
                                                    氧化钍在2200℃以上与钨发生氧化。
                                                    钠、镓和钾钠混合物在~600℃时,与钨不起作用。
                                                    钨在冷碱液中是稳定的,加热时稍受腐蚀,熔融苛性碱在空气中可以轻微腐蚀钨。但在熔融的碱中加入氧化剂(NaNO3、KClO3)的情况下,与钨发生强烈地作用而形成碱金属的钨酸盐。
                                                    在氨溶液中,有氧化剂KNO3,KClO3,PbO2中迅速溶解,仅有氧化剂如H2O2存在时,只能腐蚀钨。
                                                    热的碳酸钠、碳酸钾都不腐蚀钨。
                                                    在常温下钨对任何浓度的盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸以及王水都表现出化学稳定性。当加热到80~100℃时,钨在氢氟酸中仍稳定,而与盐酸、硫酸产生微弱作用,但却受硝酸和王水的严重腐蚀。钨在硝酸和氢氟酸的混合液中迅速溶解。
                                                    钨有四种稳定的氧化物:黄色氧化物(WO3),蓝色氧化物(WO2.90),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,高于800℃时显著升华,三氧化钨生成热202.8卡/mol,钨酐能微溶于水(0.2g/L),不溶于除氢氟酸以外所有的无机酸中。钨酸容易溶于苛性碱溶液(NaOH或KOH)和氨水中,形成钨酸盐[NaWO4、K2WO4和(NH4)2WO4]。在氨溶液中三氧化钨溶解缓慢,加热到高温时溶解更慢。 三氧化钨容易被各种还原剂还原。在常温下,甚至少量的有机物便能使其还原,并改变其颜色。但在空气中加热时又恢复原来颜色。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粉末,密度为10.9~11.1g/cm3,沸点约为1700℃,生成热134千卡/mol,在575~600℃时氢气还原三氧化钨生成二氧化钨。二氧化钨在水、碱溶液、盐酸和稀硫酸中都不溶解。硝酸能将二氧化钨氧化成高价氧化物。二氧化钨在空气中很快地被氧化成三氧化钨,在氧化氮中加热到500℃时变成蓝色氧化物。在1020℃进,二氧化钨可被碳还原成金属钨。
                                                    在250~300℃时,用氢气或一氧化碳还原三氧化钨、以及在真空中把三氧化钨加热到200~250℃时,都可得到粉末状的紫色氧化钨(WO2.72)。
                                                    钨以纯金属状态和以合金系状态广泛应用于现代技术中,合金系状态中最主要的是合金钢、以碳化钨为基的硬质合金、耐磨和强热合金。钨主要分别应用于以下工业领域。
                                                    钢铁工业    钨大部分用于生产特种钢。广泛采用的高速钢含有9%~24%的钨、3.8%~4.6%的铬、1%~5%的钒、4%~7%钴、0.7%~1.5%碳。高速钢的特点是在空气中有高的强化回火温度(700~800℃)下,能自动淬火,因此,直到600~650℃它还保持高的硬度和耐磨性。合金工具钢中的钨钢含有0.8%~1.2%的钨;铬钨硅钢含有2%~2.7%的钨;铬钨钢中含有2%~9%的钨;铬钨锰钢中含有0.5%~1.6%的钨。含钨的钢用于制造各种工具:如钻头、铣刀、拉丝模、阴模和阳模,气支工具等零件。钨磁钢是含有5.2%~6.2%的钨、0.68%~0.78%碳、0.3%~0.5%铬的永磁体钢。钨钴磁钢含有11.5%~14.5%的钨、5.5%~6.5%钼、11.5%~12.5%钴的硬磁材料。它们具有高的磁化强度和矫顽磁力。
                                                    碳化钨基硬质合金    钨的碳化物具有高的硬度、耐磨性和难熔性。这些合金含有85%~95%的碳化钨和5%~14%的钴,钴是作为粘结剂金属,它使合金具有必要的强度。主要用于加工钢的某些合金中,还含有钛、钽和铌的碳化物。所有这些合金都是用粉末冶金法制造的。当加热到1000~1100℃时,它们仍具有高的硬度和耐磨性。硬质合金刀具的切削速度远远地超过了最好的工具钢刀具的切削速度。硬质合金主要用于切削工具、矿山工具和拉丝模等。
                                                    热强和耐磨合金    作为最难熔的金属钨是许多热强合金的成分,如3%~15%的钨、25%~35%的铬、45%~65%的钴、0.5%~2.75%的碳组成的合金,主要用于强烈耐磨的零件,例如航空发动机的活门、压模热切刀的工作部件、涡轮机叶轮、挖掘设备、犁头的表面涂层。
                                                    在航空和火箭技术中,以及要求机器零件,发动机和一些仪器的高热强度的其它部门中,钨和其它给熔金属(钽、铌、钼、铼)的合金用作热强材料。
                                                    触头材料和高比重合金    用粉末冶金方法制造的钨-铜(10%~40%的铜)和钨-银合金,兼有铜和银的良好的导电性、导热性和钨的耐磨性。因此,它成为制造闸刀开关、断路器、点焊电极等的工作部件非常的效的触头材料。成分为90%~95%的钨、1%~6%的镍、1%~4%的铜的高比重合金,以及用铁代铜(~5%)的合金,用于制造陀螺仪的转子、飞机、控制舵的平衡锤、放射性同位素的放射护罩和料筐等。
                                                    电真空照明材料    钨以钨丝、钨带和各种锻造元件用于电子管生产、无线电电子学和X射技术中。钨是白织灯丝和螺旋丝的最好材料。高的工作温度(2200~2500℃)保证高的发光效率,而小的蒸发速度保证丝的寿命长。钨丝用于制造电子振荡管的直热阴极和栅极,高压整流器的阴极和和各种电子仪器中旁热阴极加热器。用钨做X光管和气体放电管的对阴极和阴极,以及无线电设备的触头和原子氢焊枪电极。钨丝和钨棒作为高温炉(达3000℃)的是加热器。钨加热器在氢气气氛、惰性气氛或真空中工作。
                                                    钨的化合物    钨酸钠用于生产某些类型的漆和颜料,以及纺织工业中用于布疋加重和与硫酸铵和磷酸铵混合来制造耐火和防水布疋;褂糜诮鹗粑、钨酸及钨酸盐的制造以及染料、颜料、油墨、电镀等 方面。也用作催化剂等。钨酸在纺织工业中是媒染剂与染料和在化学工业中用作制取高辛烷汽油的催化剂。二硫化钨在有机合成中,如在合成汽油的制取中用作固体的润滑剂和催化剂。
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