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鉬的性質和主要用途
2016-03-02 15:29:04

 

鉬的性質和主要用途
鉬的性質

    鉬與鎢的性質非常相近,其沸點和導電性能突出,線熱膨脹系數小,較鎢易于加工。

    金屬鉬的熱導率[135瓦/(米·開)]與比熱[0.276千焦/(千克·開)]呈最佳搭配,使它成為抗熱震和熱疲勞的天然選擇。它的熔點為2620℃,次于鎢、鉭,但密度卻較之低得多,因此其比強度(強度/密度)大于鎢、鉭等金屬,在對重量要求極關鍵的應用中,更為有效。鉬在1200℃仍有高的強度。

    鉬的主要缺點是抗高溫氧化性能差(高于600℃迅速氧化)和室溫延性不佳。為揚長避短,對高溫氧化問題多采用涂層(如涂MoSi2、鍍鎳、鍍鉻等)辦法控制;對塑性過差即通常說的低溫脆化的欠缺,則通過合金強化和加人碳化物實現強化等措施解決。

    鎢(W)、錸(Re)、鉭(Ta)、鈦(Ti)和鋯(Zr)等是常見的固溶強化元素。鎢是鉬的主要固溶強化元素,錸可把延脆轉變溫度降到—200℃。由它們形成的工業鉬合金參見表。其中由鑭構成的鉬鑭合金顯示出極為突出的抗蠕變及高溫變形能力,其在高溫下的這一特性表現得尤為明顯。

工業鉬合金及其應用

合金

標稱成分(重量%)

應    用

純鉬

TZM

MHC

Mo—W

Mo—Re

Mo—La

99.95Mo

0.5Ti,O.08Zr,0.03C

1~1.5Hf,0.03~0.05C

10~30W

41~47.5Re

0.5—1.5La(呈近La2O3狀態)

真空爐、玻璃熔煉、電子器件、熱阱

熱加工工具、爐子安裝用具

熱加工工具

熔融鋅處理、濺射靶

行波管、火箭助推器

燒結舟皿

鉬的用途

    從全球的消費結構看,鉬確實稱得上是鐵的同盟軍。西方發達國家對鉬的需求80%源于鋼鐵,不銹鋼吸納30%的鉬,低合金鋼吸納30%,鉆探刀頭和切削刀具占10%,鑄鋼占10%。另外20%的鉬消費在鉬化學制品、鉬基潤滑劑和石油精煉等方面。頗為典型的美國1998年在鋼鐵生產中鉬的消費比例是75%。

    此外以鉬為基的合金在電子、金屬加工及航天工業中也得到日益廣泛的應用。

    1.鉬合金

    TZM合金具有優異的高溫強度及綜合性能,是應用最廣泛的鉬合金。美國用TZM合金制作發動機的渦輪盤,其用鉬量占鉬總用量的15%。我國生產包括TZM鉬合金在內的鉬材已不下于22個牌號,20世紀90年代初我國鉬及鉬制品的產量已近200噸。

    TZM和TZC鉬合金的高溫機械性能比純鉬好,廣泛用于制造高溫工、模具及各種結構件。我國早在20世紀年代即已成功地將它們制成各種無縫鋼管的熱穿孔頂頭。此種用粉冶技術制造的燒結鉬頂頭減少了原料消耗(為鑄態的50%),平均使用壽命提高1.5~2倍。

鉬錸合金(含50%Re)制成的無縫管高溫性能優良,可在接近其熔點的溫度下使用,用作熱電偶套管和電子管陰極的支架、環、柵極等零件。

    鉬及鉬合金除具有高溫強度,良好的導電、導熱和低的熱膨脹系數(與電子管用玻璃相近)外,還擁有較鎢易于加工的優勢,因此用常規加工方法生產的板、帶、箔、管、棒、線和型材等在電子管(柵極和陽極)、電光源(支撐材料)零件,金屬加工工具(壓鑄和擠壓模、鍛模、穿孔頂頭、液態金屬濾篩)及渦輪盤等部件中得到廣泛應用。

    2.鋼的合金元素

    鉬作為鋼材的盟友,和鎳、鉻一起作為合金元素能夠減少合金鋼在熱處理時經常發生的脆變。在高速鋼中用鉬代替鎢在解決鎢資源不足方面,美國走在了前面。據計算,鉬具有兩倍于鎢的“能力”。這樣一來含鎢18%的鋼可由含鉬9%的鋼代替(同時加入鉻與釩),大大降低了鋼的生產成本。鉬在不銹鋼內的作用是提高耐蝕性、增加高溫強度及改善可焊性??梢娿f在鋼鐵工業中有著非同凡響的作用。

    3.其他應用

    鉬在真空爐工作的溫度和壓力下,具有極低的蒸氣壓。因此鉬零件對爐內工件或工作物質的污染最少,并且蒸發損失肯定不會制約諸如加熱元件和隔熱包封等鉬質高溫零件的使用壽命。

    在制造玻璃制品方面鉬的高溫強度使它成為快速加熱期間最為理想的電極與處理和加工設備。鉬與大多數玻璃組分在化學上是相容的,更不會由于小量鉬溶解在玻璃熔槽內而造成有害的發色效應。作為玻璃熔煉爐中的加熱電極,其壽命可長達3~5年。

    4.新興應用

    解決鉬的低溫延性和高溫氧化問題的主要途徑就是開發一種以二硅化鉬(MoSi2)為基的先進復合材料。

    鉬與氧接觸形成的Mo02在800℃升華,冷凝時得到一種黃白色的翳狀物,給發揮鉬在高溫強度和抗蠕變性能上的優勢造成了嚴重的工程問題。為此采用了有自愈能力的富硅涂層,然而這種涂層抗熱循環效應的能力極差。而以二硅化鉬作基體的復合材料Mo-Si-B的高溫強度和抗氧化能力極好,但延性差,僅限生產小批量商用產品。為解決延性問題,最近確定了這種鉬—硅—硼系復合材料的組成范圍,使之除抗氧化性能奇佳外,高溫機械性能與TZM合金相當。該復合材以Mo5SiB(T2)為基體相,以金屬鉬為第二相。金屬相提高了復合材料的延性,基體相可形成自愈性的氧化皮。目前制成的同時加入鈦的Mo-6Ti-2.2Si-1.1B復合材料在1370℃下暴露在空氣中2小時,肉眼幾乎看不到變化,較之TZM還要優越。這是鉬基合金一項了不起的成就。

    鉬的第二項新成就是作充填炸藥彈頭的內襯(軍事上叫藥型罩),這種彈頭在軍事和工業應用中可穿透和切削很深的深度。在這類裝置內,內襯周圍的炸藥以可控的方式起爆,使內襯以一種非常奇特的方式變形。變形使內襯材料產生有極高速度、極大張力的棒狀碎片(噴射器)可深深地穿入靶材或目標。

    襯鉬炸藥藥型罩的開發是一個嶄新的研究領域。傳統彈頭藥型內襯材料是銅,但鉬的聲速為5.12千米/秒(銅為3.94千米/秒)、密度10.2克/厘米3(銅為8.93克/厘米3)。為獲得高速相干噴射,尖頭必須要有高的聲速。使用鉬的藥型設計可使噴射尖頭的速度大于12千米/秒,而使用銅速度尚不足10千米/秒。兩者速度相差20%~25%,其原因就在于高聲速使尖頭的能量增加,從而導致穿透力提高。最新的炸藥藥型罩以錐形和嗽叭型為好。用鉬代銅將是軍械上的一項重要改革。   

    鉬的第三項新成就是制造平板型顯示設備。在電子行業,平板型顯示設備至今仍然使用有源矩陣液晶顯示(LCD)技術。但LCD正與處于不同開發階段的場發射顯示(FED)、電致發光顯示(EL)、等離子體顯示面板(PDP)、陰極射線發光顯示(CRT)及真空熒光顯示(VFD))進行著全方位的激烈競爭。在這項顯示工藝中,顯示借兩塊被真空隔離的玻璃薄片實現。背面的玻璃當作陰極,在這片玻璃上以場發射極陣列的形式分布著5億個以上的發射極尖端,發射極間的間隔比電視屏幕上的象素小得多。發射極尖端即由鉬制造,它們在顯示時既可單獨控制亦可分組控制。鑒于它們的視角寬,響應時間快,有寬的溫度范圍公差,特別是功耗低,與要求清晰、明亮、可移動、耐用的潮流一起,成為發展乎板顯示工藝的主要推動力。顯示市場有高達100億美元以上的市場。平板顯示工藝用電子束蒸發將鉬沉積在發射極尖端上,其用量雖少,但對發展大屏幕、高清晰度電視卻有著不可限量的前程。

 

                                   選自《中國有色金屬學會網》


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