
的名字起源可能出自德文Wolf Rahm(這表示為狼的唾沫或狼的浮沫),它與熔煉錫有關,因在熔煉錫時鎢形成的浮沫減少了錫的金屬產出率,人們將這種浮沫表示為狼的唾沫,鎢的礦石稱為狼石。
1871年瑞典化學家КВ.Щ.ееле用酸分解白鎢礦時,析出一種新元素的酸,1873年曾確定這種新元素含于錫礦石中經常見到的另一種礦物——黑鎢礦中。同年,西班牙人Эльгуйир兄弟用碳還原三氧化鎢,首次得到金屬鎢粉。
18世紀50年代曾發現鎢對鋼性質的影響。然而,鎢鋼開始生產和廣泛應用是在19世紀末和20世紀初。
1900年在巴黎世界展覽會上,首次展出了高速鋼。因此,鎢的提取工業從此得到了迅猛發展。這種鋼的出現標志了金屬切割加工領域的重大技術進步。鎢成為最重要的合金元素。
1900年,俄國發明家А.Н.Ладыгин首先建議在照明燈泡中應用鎢。在1909年Кулидж制定基于粉末冶金法,采用壓力加工的工藝方法之后,鎢才有可能在電真空技術中得到廣泛的應用。
1927~1928年采用以碳化鎢為主成分研制出硬質合金,這是鎢的發展史中的一個重要階段。這些合金各方面的性質都超過了最好的工具鋼,在現代技術中得到了廣泛的使用。
鎢是稀有高熔點金屬,屬于元素周期系中第六周期(第二長周期)的 VIB族。鎢是一種銀白色金屬,外形似鋼。鎢的熔點高,蒸氣壓很低,蒸發速度也較小。它的主要物理性質如下:
元素符號 W
原子序數 74
穩定同位素及其所占% 180(0.14);182(26.41); 183(14.40);184(30.64);186(28.41)
相對原子質量183.85
自由原子的電子層結構 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25P65d46S2
原子體積 9.53 cm3/mol
密度 19.35 g/cm3
晶體結構及晶格常數 α-W:體心立方 a=3.16524 nm(25℃)
β-W:立方晶格 a=5.046 nm(630℃以下穩定)
熔點 3410±20℃
沸點 5927℃
熔化潛熱 40.13±6.67kJ/mol
升華熱 847.8 kJ/mol(25℃)
蒸發熱 823.85±20.9kJ/mol(沸點)
電阻溫度系數 0.00482 I/℃
電子逸出功 4.55 eV
熱中子俘獲面 19.2 b
彈性模量 35000~38000 MPa(絲材)
扭力模量 ~36000Mpa
體積模量 3.108×1011-1.579×107t+0.344×103t2 Pa
剪切模量 4.103×1011-3.489×107t+7.55×103t2 Pa
壓縮性 2.910-7 cm/kg
鎢有兩種變型,α和β。在標準溫度和常壓下,α型是穩定的體心立方結構。β型鎢只有在有氧存在的條件下才能出現。它在630℃以下是穩定的,在630℃以上又轉化為α鎢,并且這一過程是不可逆的。
在燈絲材料中,用錸或鈷可進一步提高鎢鋁合金性能。當加入3%的Re時,WAl2燈絲經2750℃退火3min的延伸率可達25.7%。即使Re含量低到0.25%,其延伸率也可達6%;若在鎢鋁合金中加入0.01~0.03的Co,其合金絲在2700℃退火5min后,其彎曲延性相當于WAl2絲的三倍,耐震強度可提高三倍,這里,鈷的作用是提高再結晶溫度,長大后晶粒的晶界形狀。另外,鈷還起脫氧作用。當用W-Co-1%ThO2合金做燈絲時,其抗震性能增加十倍。
在通常的條件下,鎢是很穩定的金屬。在20℃的空氣或氧氣中不反應,但是它在空氣中加熱時,顏色開始變成暗灰黑色。當加熱到400℃時,鎢開始氧化,以后隨加熱溫度升高,氧化加劇。在更高的溫度下,鎢逐漸被氧化面黃色的三氧化鎢(WO3)。但當空氣濕度較大時,即使在常溫下鎢粉也會被套逐漸氧化,在其表面上覆蓋一層藍紫色的中間氧化薄膜。
在任何溫度下,鎢與氫氣不起作用,即不生成化合物。溫度在1500℃時,氫在鎢中的溶解度很小,因而鎢的處理和機械加工可以在氫氣氣氛中進行。但在高真空下,用鎢絲作陰極通以強電流,可以生成氫化鎢(WH2)。
鎢在600~700℃的水蒸氣中將急劇氧化,形成三氧化鎢。
W+3H2O WO3+3H2
在1500℃以上形成氮化物,鎢有三種氮化物:WN2、W3N2和W2N3。
鎢在所有溫度下都不與氨氣起作用。
鎢在800℃以上的溫度下與一氧化碳形成碳化物,在1200℃以上的溫度下與鎢發生氧化。鎢與碳及一些含碳氣體(如CO、CH4、C2H4等)反應激烈, 生成碳化鎢(WC與W2C)。鎢中即使含有少量碳化鎢,也能引起鎢發脆和顯著降低導電率。
在高溫下二氧化硫會使鎢發生氧化。
在任何溫度下,氟都可以強烈腐蝕鎢。
在250~300℃時鎢與氯氣生成六氫化鎢(WCl6),若有空氣和水氣存在,則生成氯氧化物。
在赤熱溫度下,溴和碘會腐蝕鎢。
在赤熱溫度下,硫化氫與鎢的表面起作用。
鎢與硫在~880℃形成硫化物。
鎢與硅在1000℃形成硅化物。
在高溫時,鎢與硼生成硼化物。
鋅不腐蝕鎢。
鋁鎂氧化物在1900℃以上與鎢發生氧化。
氧化釷在2200℃以上與鎢發生氧化。
鈉、鎵和鉀鈉混合物在~600℃時,與鎢不起作用。
鎢在冷堿液中是穩定的,加熱時稍受腐蝕,熔融苛性堿在空氣中可以輕微腐蝕鎢。但在熔融的堿中加入氧化劑(NaNO3、KClO3)的情況下,與鎢發生強烈地作用而形成堿金屬的鎢酸鹽。
在氨溶液中,有氧化劑KNO3,KClO3,PbO2中迅速溶解,僅有氧化劑如H2O2存在時,只能腐蝕鎢。
熱的碳酸鈉、碳酸鉀都不腐蝕鎢。
在常溫下鎢對任何濃度的鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸以及王水都表現出化學穩定性。當加熱到80~100℃時,鎢在氫氟酸中仍穩定,而與鹽酸、硫酸產生微弱作用,但卻受硝酸和王水的嚴重腐蝕。鎢在硝酸和氫氟酸的混合液中迅速溶解。
鎢有四種穩定的氧化物:黃色氧化物(WO3),藍色氧化物(WO2.90),紫色氧化物(WO2.72)和棕褐色氧化物(WO2)。
三氧化鎢是檸檬黃色的晶體粉末,密度為7.2~7.4g/cm3,熔點約為1470℃,沸點在1700~2000℃之間,高于800℃時顯著升華,三氧化鎢生成熱202.8卡/mol,鎢酐能微溶于水(0.2g/L),不溶于除氫氟酸以外所有的無機酸中。鎢酸容易溶于苛性堿溶液(NaOH或KOH)和氨水中,形成鎢酸鹽[NaWO4、K2WO4和(NH4)2WO4]。在氨溶液中三氧化鎢溶解緩慢,加熱到高溫時溶解更慢。 三氧化鎢容易被各種還原劑還原。在常溫下,甚至少量的有機物便能使其還原,并改變其顏色。但在空氣中加熱時又恢復原來顏色。在700~900℃時,三氧化鎢很容易被氫、一氧化碳和碳還原成金屬鎢。
二氧化鎢是一種巧克力粉末,密度為10.9~11.1g/cm3,沸點約為1700℃,生成熱134千卡/mol,在575~600℃時氫氣還原三氧化鎢生成二氧化鎢。二氧化鎢在水、堿溶液、鹽酸和稀硫酸中都不溶解。硝酸能將二氧化鎢氧化成高價氧化物。二氧化鎢在空氣中很快地被氧化成三氧化鎢,在氧化氮中加熱到500℃時變成藍色氧化物。在1020℃進,二氧化鎢可被碳還原成金屬鎢。
在250~300℃時,用氫氣或一氧化碳還原三氧化鎢、以及在真空中把三氧化鎢加熱到200~250℃時,都可得到粉末狀的紫色氧化鎢(WO2.72)。
鎢以純金屬狀態和以合金系狀態廣泛應用于現代技術中,合金系狀態中最主要的是合金鋼、以碳化鎢為基的硬質合金、耐磨和強熱合金。鎢主要分別應用于以下工業領域。
鋼鐵工業 鎢大部分用于生產特種鋼。廣泛采用的高速鋼含有9%~24%的鎢、3.8%~4.6%的鉻、1%~5%的釩、4%~7%鈷、0.7%~1.5%碳。高速鋼的特點是在空氣中有高的強化回火溫度(700~800℃)下,能自動淬火,因此,直到600~650℃它還保持高的硬度和耐磨性。合金工具鋼中的鎢鋼含有0.8%~1.2%的鎢;鉻鎢硅鋼含有2%~2.7%的鎢;鉻鎢鋼中含有2%~9%的鎢;鉻鎢錳鋼中含有0.5%~1.6%的鎢。含鎢的鋼用于制造各種工具:如鉆頭、銑刀、拉絲模、陰模和陽模,氣支工具等零件。鎢磁鋼是含有5.2%~6.2%的鎢、0.68%~0.78%碳、0.3%~0.5%鉻的永磁體鋼。鎢鈷磁鋼含有11.5%~14.5%的鎢、5.5%~6.5%鉬、11.5%~12.5%鈷的硬磁材料。它們具有高的磁化強度和矯頑磁力。
碳化鎢基硬質合金 鎢的碳化物具有高的硬度、耐磨性和難熔性。這些合金含有85%~95%的碳化鎢和5%~14%的鈷,鈷是作為粘結劑金屬,它使合金具有必要的強度。主要用于加工鋼的某些合金中,還含有鈦、鉭和鈮的碳化物。所有這些合金都是用粉末冶金法制造的。當加熱到1000~1100℃時,它們仍具有高的硬度和耐磨性。硬質合金刀具的切削速度遠遠地超過了最好的工具鋼刀具的切削速度。硬質合金主要用于切削工具、礦山工具和拉絲模等。
熱強和耐磨合金 作為最難熔的金屬鎢是許多熱強合金的成分,如3%~15%的鎢、25%~35%的鉻、45%~65%的鈷、0.5%~2.75%的碳組成的合金,主要用于強烈耐磨的零件,例如航空發動機的活門、壓模熱切刀的工作部件、渦輪機葉輪、挖掘設備、犁頭的表面涂層。
在航空和火箭技術中,以及要求機器零件,發動機和一些儀器的高熱強度的其它部門中,鎢和其它給熔金屬(鉭、鈮、鉬、錸)的合金用作熱強材料。
觸頭材料和高比重合金 用粉末冶金方法制造的鎢-銅(10%~40%的銅)和鎢-銀合金,兼有銅和銀的良好的導電性、導熱性和鎢的耐磨性。因此,它成為制造閘刀開關、斷路器、點焊電極等的工作部件非常的效的觸頭材料。成分為90%~95%的鎢、1%~6%的鎳、1%~4%的銅的高比重合金,以及用鐵代銅(~5%)的合金,用于制造陀螺儀的轉子、飛機、控制舵的平衡錘、放射性同位素的放射護罩和料筐等。
電真空照明材料 鎢以鎢絲、鎢帶和各種鍛造元件用于電子管生產、無線電電子學和X射技術中。鎢是白織燈絲和螺旋絲的最好材料。高的工作溫度(2200~2500℃)保證高的發光效率,而小的蒸發速度保證絲的壽命長。鎢絲用于制造電子振蕩管的直熱陰極和柵極,高壓整流器的陰極和和各種電子儀器中旁熱陰極加熱器。用鎢做X光管和氣體放電管的對陰極和陰極,以及無線電設備的觸頭和原子氫焊槍電極。鎢絲和鎢棒作為高溫爐(達3000℃)的是加熱器。鎢加熱器在氫氣氣氛、惰性氣氛或真空中工作。
鎢的化合物 鎢酸鈉用于生產某些類型的漆和顏料,以及紡織工業中用于布疋加重和與硫酸銨和磷酸銨混合來制造耐火和防水布疋。還用于金屬鎢、鎢酸及鎢酸鹽的制造以及染料、顏料、油墨、電鍍等 方面。也用作催化劑等。鎢酸在紡織工業中是媒染劑與染料和在化學工業中用作制取高辛烷汽油的催化劑。二硫化鎢在有機合成中,如在合成汽油的制取中用作固體的潤滑劑和催化劑。