鈦等稀有金屬產品的物理特性
發布時間：2010年06月25日 閱讀次數：727
一、鈦的簡介
鈦是一種非常活潑的金屬，其平衡電位很低，在介質中的熱力學腐蝕傾向大。但實際上鈦在許多介質中很穩定，如鈦在氧化性、中性和弱還原性等介質中是耐腐蝕的。這是因為鈦和氧有很大的親和力，在空氣中或含氧的介質中，鈦表面生成一層致密的、附著力強、惰性大的氧化膜，保護了鈦基體不被腐蝕。即使由于機械磨損也會很快自愈或重新再生。這表明了鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬。介質溫度在315℃以下鈦的氧化膜始終保持這一特征。
鈦的十大性能：
1、 密度小，比強度高
2、 耐腐蝕性能強
3、 耐熱性能好
4、 耐低溫性能強
5、 抗阻你性能強
6、 無磁性無毒性
7、 抗拉強度與其屈服強度接近
8、 換熱性能好
9、 彈性模量低
10、吸氣性能好
鈦的物理特征：
外觀：灰色，純鈦和以鈦為主的合金是新型的結構材料
熔點：1725℃，耐熱性能好
沸點：3287℃
純度：99.9%
特性：密度小，容易加工，鈦的塑性主要依賴于純度，鈦越純，塑性越大。有良好的抗腐蝕性能，不受大氣和海水的影響，缺點難于熔煉，在高溫下化合能力極強。
鈦的簡單描述：鈦是一種金屬元素，灰色，能在氮氣中燃燒，熔點高。純鈦和以鈦為主的合金是新型的結構材料，主要用于航天工業和航海工業。地理表面十公里厚的地層中，含鈦達千分之六，比銅多61倍。鈦沒有磁性，用鈦建造的核潛艇不必擔心磁性水雷的攻擊。鈦的硬度與鋼鐵差不多，而它的重量幾乎只有同體積的鋼鐵的一半，鈦雖然稍稍比鋁重一點，它的硬度卻比鋁大2倍，在宇宙火箭和導彈中，大量用鈦代替鋼鐵。據統計，目前世界上每年用于宇宙航行的鈦，已達一千噸以上。極細的鈦粉，還是火箭的好燃料。鈦的耐熱性能好，熔點高達1725℃，在常溫下，鈦可以在各種強酸強堿的溶液中。在電化學中，鈦是單向閥型金屬，電位很負，通常無法用鈦制作陽極進行分解。鈦的最大缺點是難于熔煉。主要是因為鈦在高溫下化合能力極強，可以與氧、碳氮以及其他許多元素化合。鈦的強度大，純鈦的抗拉強度最高可達180m
用途：主要用于航天和航海工業，車輛工程，生物醫學等領域，有廣闊的前景
鈦合金的主要用途：
目前世界鈦合金加工材年產量已達4萬余噸，鈦合金牌號近30種。使用最廣泛的鈦合金是TI=6AL-4V(TC4),TI-5AL-2.5SN(TA7)和工業純鈦（TA1，TA2和TA3）。鈦合金主要用于制造飛機發動機壓氣機部件，其次為火箭、導彈和高速飛機的結構件。
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一種金屬元素，灰黑色的結晶，質硬而脆，熔點很高，可以制成很細的絲和特種合金鋼：～絲。～鋼。～砂（精造的鎢礦石）。
二、鎢的簡介
鎢是稀有金屬，也是重要的戰略物資，在古代被稱為“重石”。1783年被西班牙人德普爾亞命名。鎢在地殼中的含量為0.001%。已發現的含鎢礦物有20種。鎢礦床一般伴隨著花崗質巖漿的活動而形成。經過冶煉后的鎢是銀白色有光澤的金屬，熔點極高，硬度很大。
性質：
鎢是稀有高熔點金屬，屬于元素周期表中第六周期（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。鎢的化學性質很穩定，常溫時不跟空氣和水反應，不溶于鹽酸、硫酸、硝酸和堿溶液。溶于王水以及硝酸和氫氟酸的混合液。高溫下能與氯、溴、碘、碳、氮、硫等化合，但不與氫化合。
鎢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百分比： 180(0.14)；182(26.41)； 183(14.40)；184(30.64)；186(28.41)
原子體積:(立方厘米/摩爾) 9.53
相對原子質量： 183.85
元素在太陽中的含量：(ppm) 0.004%
元素在海水中的含量：(ppm) 0.000092%
自由原子的電子層結構： 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25P65d56S1
原子體積： 9.53 cm3/mol
原子半徑： 137皮米
外圍電子排布： 5d56s1
聲音在其中的傳播速率：（m/S） 4620
氧化態： Main W-4, W-2, W-1, W0, W+2, W+3, W+4, W+5, W+6
電離能 (kJ /mol)： M – M+ 770 M+ – M2+ 1700 M2+ – M3+ 2300 M3+ – M4+ 3400 M4+ – M5+ 4600 M5+ – M6+ 5900
第一電離能： 775kJ/mol。
電負性： 1.7。
密度： 19.35克/每立方厘米。
熔點： 3410±20℃
沸點： 5927℃
莫氏硬度： 7.5
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。
分類：主要的鎢礦有十幾種，我國主要有兩種；黑鎢礦（鎢錳鐵礦）和白鎢礦（鎢酸鈣礦）。
1．黑鎢礦(FeMn)WO4。顏色有暗灰色、淡紅褐、淡褐黑、發褐及鐵褐等顏色。半金屬光澤、金屬光澤及樹脂光澤。通常為葉片狀、彎曲片狀、粒狀和致密狀；也有的呈厚板狀、尖柱狀等單斜晶系晶體，常與白色石英一起以脈絡的形式充填在花崗巖及其附近的巖石裂縫中。硬度5－5.5，比重7.1－7.5。參差狀斷口。性脆，有弱磁性。黑鎢礦是煉鎢和制造鎢酸鹽類的主要原料。
2．白鎢礦MnWO4。顏色為灰白色，也有黃褐、綠和淡紅色等。油脂光澤。它屬正方晶系，形成雙錐狀的假八面體或板狀晶體，晶面有時可見斜條紋，其中插生雙晶者較為常見。也有的晶體呈皮殼狀、腎狀、粒狀和致密塊狀。硬度4.5－5；比重5.9－6.2。性脆，貝殼狀或參差狀斷口。受熒光燈照射時，白鎢礦可發出美麗的淺藍色熒光。白鎢礦產于我國江西大余、湖南大順窿、云南文山等地。多成砂礦，可用淘重砂法淘洗得到白鎢礦。
用途：目前世界上開采出的鎢礦，80%用于優質鋼的冶煉，15%用于生產硬質鋼，5%其他用于其他用途。鎢可以制造槍械、火箭推進器的噴嘴、切削金屬，是一種用途較廣的金屬。
18世紀50年代，化學家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年在巴黎世界博覽會上，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，這是鎢的工業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、耐磨合金和強熱合金。鎢主要分別應用于以下工業領域：
一、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。西安元英粉末合金材料有限公司
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%——0.75%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（如鉭、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-銅合金（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射線技術中。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（3000℃）的加熱器。鎢加熱器在氫氣氣體、惰性氣體或真空中工作。
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布疋和防水布疋。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。處理鎢礦石的時候可得到得三氧化鎢，再用氫還原三氧化鎢制得鎢粉，廣泛用于鎢材及鎢冶金材原料。
鎢資源分布
我國是產鎢大國，鎢資源儲量520萬噸，為國外30個產鎢國家總儲量（130萬噸）的3倍多，產量及出口量均居世界第一。湖南、江西、河南三省的鎢資源儲量居全國的前三位，其中湖南、江西兩省的鎢資源儲量占全國的55．48％。湖南以白鎢為主，江西以黑鎢為主，其黑鎢資源占全國黑鎢資源總量的42．40％。
我國的鎢礦大體上分布于我國南嶺山地兩側的廣東東部沿海一帶，尤其是以江西的南部為最多，儲量約占全世界的二分之一以上。此外，江西的大余、湖南的汝城、資興、荼陵等地；以及廣西和云南等省也都產有鎢礦。
國外鎢礦的主要產地是加拿大和美國。
三、鉬的簡介
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。
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。
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、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。可見鉬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。
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