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钨是属于有色金属,也是重要的战略金属,钨矿在古代被称为“重石”。1781年由瑞典化学家卡尔.威廉.舍耶尔发现白钨矿,并提取出新的元素酸-钨酸,1783年被西班牙人德普尔亚发现黑钨矿也从中提取出钨酸,同年,用碳还原三氧化钨第一次得到了钨粉,并命名该元素。钨在地壳中的含量为0.001%。已发现的含钨矿物有20种。钨矿床一般伴随着花岗质岩浆的活动而形成。经过冶炼后的钨是银白色有光泽的金属,熔点极高,硬度很大。

性质

钨是稀有高熔点金属,属于元素周期表中第六周期(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。钨的化学性质很稳定,常温时不跟空气和水反应,不溶于盐酸、硫酸、硝酸和碱溶液。王水只能使其表面氧化,溶于硝酸和氢氟酸的混合液。高温下能与氯、溴、碘、碳、氮、硫等化合,但不与氢化合。
钨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百分比:180(0.14);182(26.41); 183(14.40);184(30.64);186(28.41)
原子体积:(立方厘米/摩尔)9.53
相对原子质量:183.85
元素在太阳中的含量:(ppm)0.004%
元素在海水中的含量:(ppm)0.000092%
自由原子的电子层结构:1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25P65d56S1
原子体积:9.53 cm/mol
原子半径:137皮米
外围电子排布:5d46s2
声音在其中的传播速率:(m/S)4620
氧化态:Main W-4, W-2, W-1, W0, W+2, W+3, W+4, W+5, W+6
电离能 (kJ /mol):M - M+ 770 M+ - M2+ 1700 M2+ - M3+ 2300 M3+ - M4+ 3400 M4+ - M5+ 4600 M5+ - M6+ 5900
第一电离能:775kJ/mol。
电负性:1.7。
密度:19.35克/每立方厘米。
α-W:晶胞体心立方晶胞,每个晶胞含有2个金属原子。β-W:立方晶格 a=5.046 nm(630℃以下稳定)
晶胞参数:
a = 316.52 pm
b = 316.52 pm
c = 316.52 pm
α = 90°
β = 90°
γ = 90°
熔点:3410±20℃
沸点:5927℃
莫氏硬度:7.5
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。
同位素:
同位素符号 自然丰度 半衰期 衰变类型 衰变释放能量 衰变产物
180W 0.12% 1.8E18年 α 2.516MeV 176Hf
181W 人工合成 121.2天 ε电子捕获 0.188Mev 181Ta
182W 26.50% 稳定元素,不发生衰变。108个中子
183W 14.31% 稳定元素,不发生衰变。109个中子
184W 30.64% 稳定元素,不发生衰变。 110个中子
185W 人工合成 75.1天 β 0.433MeV 185Re
186W 28.43% 稳定元素,不发生衰变。112个中子
注:Mev是兆电子伏特的缩写

种类

主要的钨矿有十几种,我国主要有两种;黑钨矿(钨锰铁矿)和白钨矿(钨酸钙矿)。
1.黑钨矿(FeMn)WO4。颜色有暗灰色、淡红褐、淡褐黑、发褐及铁褐等颜色。半金属光泽、金属光泽及树脂光泽。通常为叶片状、弯曲 、片状、粒状和致密状;也有的呈厚板状、尖柱状等单斜晶系晶体,常与白色石英一起以脉络的形式充填在花岗岩及其附近的岩石裂缝中。硬度5-5.5,比重7.1-7.5。参差状断口。性脆,有弱磁性。黑钨矿是炼钨和制造钨酸盐类的主要原料。
2.白钨矿CaWO4。颜色为灰白色,也有黄褐、绿和淡红色等。油脂光泽。它属正方晶系,形成双锥状的假八面体或板状晶体,晶面有时可见斜条纹,其中插生双晶者较为常见。也有的晶体呈皮壳状、肾状、粒状和致密块状。硬度4.5-5;比重5.9-6.2。性脆,贝壳状或参差状断口。受荧光灯照射时,白钨矿可发出美丽的浅蓝色荧光。白钨矿产于我国江西大余、湖南汝城、安化、临武、云南文山等地。多成砂矿
以上钨矿物可用重选(摇床、跳汰等)、浮选、溜槽、淘重砂法等方法得到黑钨精矿或白钨精矿。

历史

18世纪50年代,化学家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年在巴黎世界博览会上,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,这是钨的工业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。

用途

目前世界上开采出的钨矿,约50%用于优质钢的冶炼,约35%用于生产硬质钢,约10%用于制钨丝,约5%其他用于其他用途。钨可以制造枪械、火箭推、进器的喷嘴、切削金属的刀片、钻头、超硬模具、拉丝模等等,钨是的用途十分广,涉及矿山、冶金、机械、建筑、交通、电子、化工、轻工、纺织、军工、航天、科技、各个工业领域。
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、耐磨合金和强热合金。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、1%——5%的、4%——7%、0.7%——1.5%。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%、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、钽和的碳化物。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%——0.75%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(如钽、铌、钼、)的合金用作热强材料。
用粉末冶金方法制造的钨-铜合金(10%——40%的铜)和钨-银合金,兼有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、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。
照明
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射线技术中。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(3000℃)的加热器。钨加热器在氢气气体、惰性气体或真空中工作。
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磷酸铵混合来制造耐火布疋和防水布疋。还用于金属钨、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。处理钨矿石的时候可得到得三氧化钨,再用氢还原三氧化钨制得钨粉,广泛用于钨材及钨冶金材原料。
钨资源分布
我国是产钨大国,钨资源储量520万吨,为国外30个产钨国家总储量(130万吨)的3倍多,产量及出口量均居世界第一。湖南江西河南三省的钨资源储量居全国的前三位,其中湖南、江西两省的钨资源储量占全国的55.48%。湖南以白钨为主,江西以黑钨为主,其黑钨资源占全国黑钨资源总量的42.40%。
我国的钨矿大体上分布于我国南岭山地两侧的广东东部沿海一带,尤其是以江西的南部为最多,储量约占全世界的二分之一以上。此外,江西的大余、湖南的汝城、安化、临武、资兴、荼陵等地;以及广西和云南、四川、福建等省也有钨矿资源。
国外钨矿的主要产地是加拿大美国

特点

电灯泡里头的灯丝,就是钨丝。钨是最难熔的金属,熔点高达3410℃。当电灯点亮时,灯丝的温度高达3000℃以上,在这样高的温度下,只有钨才顶得住,而其他大多数金属会熔成液体或以至变成蒸气。
钨,是瑞典化学家社勒在178l年用酸分解钨酸时发现的,但过了六十七年,人们才制得纯净的金属钨。纯钨是银白色的金属,只有粉末状或细丝状的钨才是灰色或黑色的。电灯泡用久了会发黑,便是由于灯泡内壁有一层钨的粉末。钨很重,1立方米的钨重达19.1吨,与金差不多,因此它的瑞典语原意,便是“重”的意思。钨又非常坚硬,人们是用最硬的石头——金刚石作拉丝模,使直径为1毫米的钨丝通过20多个逐渐小下去的金刚石孔,才把它抽成直径只有几百分之一毫米的灯丝。一公斤的钨锭可抽成长达四百公里的细丝。现在,白炽灯、真空管以至连我国近年来制成的新颖的“碘钨灯”。都是用钨作灯丝。据统计,现在全世界每年白炽灯和电子管的产量达几十亿只以上!
钨的最大的用途,还不是制造灯丝,而是制造钨钢。全世界每年有90%的钨是用于制造钨钢。在我国古代,常有所谓“削铁如泥”的宝刀,《水浒》里说把头发放在“青面兽”杨志的那把宝刀的刀刃上一吹,头发便断成两半。这些传说固然有夸张之处,不过,的确有些刀是格外锋利的。据现代用化学方法分析。原来,在这些钢刀中含有钨!现在,人们便用钨矿和铁矿放在一起,炼成钨钢。钨钢一般含钨9—17%。
钨是最耐高温的金属。钨钢也继承了钨的这一优良特性。用普通碳素钢做的车刀,加热到250℃以上便变软了,自然也就没法切削金属了。然而,钨钢做的车刀,温度高达1000℃,仍然坚硬如故。1900年,人们才第一次在世界博览会上展出用钨钢制造的车刀。然而,由于钨钢车刀具有很大的优越性,便迅速地在工业上得到推广。在短短的五十年间,由于钨钢车刀的使用,使金属切削速度增加了二百倍,从每分钟十米增加到两千米以上。现在,炮筒、枪筒也常用钨钢做,因为在连续发射时,会被炮弹、枪弹摩擦得滚烫,但耐热的钨钢依然保持良好的弹性和机械强度。
钨很坚硬,钨纲也很坚硬、锋利。不过,如果用碳化钨和钴粉制成硬质合金,比钨钢还要坚硬,以至可与金刚石比美。这种硬质合金并不是从炼钢炉里炼出来的,而是用金属粉末做成的。这种制造方法,叫做“粉末冶金”。在制造时,人们先把碳粉与钨粉混合,加热到1500℃左右,制成碳化钨。然后,再把碳化钨粉与黑色的钴粉混合,模压成一定形状,先加热到1000℃进行预烧。预烧后的合金,进行一些机械加工(因为变硬后几乎无法再加土),再加热到1500℃左右,这时,原先是“一盘散沙”般的黑粉,却烧结成非常结实的硬质合金。我国现在正大力推广使用这种简便的粉末冶金法,制造硬质合金。用这种碳化钨硬质合金制成的刀具,在加工同样的机械零件时,切削速度比钨钢刀具还快十五倍。用这种碳化钨硬质合金制成的模具,可以冲三百多万次,而普通的合金钢模具只能冲五万多次。更可贵的是,由于它不易被磨损,所以冲出来的产品,十分精确。硬质合金现在已广泛地用于我国各工业部门,如制造手表中的零件、化工厂用的高压喷嘴以及制造无缝钢管的顶芯、钻探机的钻头等。
钨的其他合金——钨钛合金、钨铬钴合金等,也都是著名的硬质合金。
钨的化学性质很稳定,即使在加热的情况下,也不会与盐酸、硫酸作用,甚至不会溶解在王水里——在王水中,钨只是表面缓慢氧化而已。只有腐蚀性极强的氢氟酸和硝酸的混合物,才能溶解钨。
钨有许多化合物,其中碘化钨、溴化钨可用于制造新光源;钨酸钠可用来制作防火布;钨酸铅可作白色颜料,氧化钨则是黄色的颜料。
在地壳中,钨的含量为十万分之四。我国钨的储藏量,占世界第一位!其中以江西的大庚山脉藏量最多,此外广西、广东、湖南等地也都盛产钨。
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