淺析鉬在超硬材料行業(yè)中應(yīng)用
鉬被列入稀有高熔點(diǎn)金屬材料。鎢、鉬都是同屬周期表中VIB族元素，是典型的高熔點(diǎn)金屬，它們基本性質(zhì)相似，但也各具特點(diǎn)，表面具有銀灰色光澤，粉末呈暗灰色，他們的共性是：高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高彈性模量、膨脹系數(shù)小、蒸氣壓低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)越、抗腐蝕性能好，但都具有高溫氧化和低溫脆性的共同的缺點(diǎn)。因此鉬便成為各種結(jié)構(gòu)鋼和耐腐蝕鋼的主要添加元素。鉬具有較好的延伸性，在電子和電氣電導(dǎo)熱性能優(yōu)越。
鉬發(fā)現(xiàn)于1778年，十年后用碳還原鉬酸獲得金屬鉬。十九世紀(jì)初，用氫還原得到了較純的鉬。大約1910年發(fā)現(xiàn)鉬能顯著改善鋼的性能，從此鉬便成為各種結(jié)構(gòu)鋼和耐蝕鋼的主要添加元素。鉬具有較好的延伸性使其在電子和電氣工業(yè)上都得到應(yīng)用。近十年來(lái)在超硬材料行業(yè)復(fù)合片生產(chǎn)由寶雞三立公司首次將鉬及其合金，以板、箔、棒、線(xiàn)各種異性鉬球杯、鉬梯形杯、鉬錐形杯、應(yīng)用在超硬材料復(fù)合片生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用（見(jiàn)下表1）。鉬的主要用途是作為不銹鋼、工具鋼、低合金鋼、鈦鉬合金等各種鋼的添加劑。鋼中加入鉬后能細(xì)化晶粒，提高晶粒粗化溫度，顯著改善鋼的淬透性、韌性、高溫強(qiáng)度和蠕變性能等。由于鉬的熔點(diǎn)高，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好，因此可作為高溫爐的發(fā)熱體和反射屏材料，用鉬做發(fā)熱體的電爐工作溫度可達(dá)1900度，而且使用壽命長(zhǎng)，成本低，使其得到了更廣泛的應(yīng)用。
二、鉬金屬材料的物理性能和特點(diǎn)。
鉬是周期表中VIB族元素，是典型的高熔點(diǎn)金屬。鉬具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高彈性模量、膨脹系數(shù)小、蒸氣壓低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良。鉬重要物理性能和高溫力學(xué)性能如表1所示鉬的化學(xué)性能。
鉬是元素周期表中VIB族元素，化合價(jià)有2.3.4.5.6幾種。在低化合價(jià)時(shí)呈堿性，高化合價(jià)時(shí)呈酸性。6價(jià)鉬的化合物最穩(wěn)定。鉬直到熔點(diǎn)也不與氫反應(yīng)，氫是制造鉬粉的主要還原劑，也是鉬高溫加工過(guò)程中良好的保護(hù)氣體。
鉬與氧能產(chǎn)生多種氧化物。氧化過(guò)程與溫度的關(guān)系可分為四個(gè)階段：
（1）在475℃以下鉬與氧生成致密的黏附氧化膜是MoO2薄層，外表層是MoO3。
（2）在475℃-700℃形成氧化膜的同時(shí)，發(fā)生MoO3蒸發(fā)，氧化速度取決于金屬表面吸附、化學(xué)反應(yīng)和解吸過(guò)程。X射線(xiàn)結(jié)構(gòu)分析表明：氧化膜分兩層，內(nèi)層為MoO2外表層為MoO3。
（3）在700-800℃范圍內(nèi)，內(nèi)層達(dá)到臨界厚度后發(fā)生破裂，引起氧化速度突然加快。超過(guò)725℃，鋼的氧化迅速在鉬的表面不再生成氧化鉬層，只見(jiàn)到黃色氧化物（MoO3）的升華，出現(xiàn)“毀滅性氧化”。這是由于揮發(fā)性MoO3和液化鉬的出現(xiàn)而成、氧化速度如此之快使氧化反應(yīng)時(shí)釋放出來(lái)的熱來(lái)不及擴(kuò)散，自生熱使溫度超過(guò)MoO3的熔點(diǎn)。這種自催化作用導(dǎo)致材料毀滅性破壞。生產(chǎn)中應(yīng)利用這種放熱反應(yīng)回收廢鉬。
（4）超過(guò)850℃，MoO3的蒸汽在鉬的表面上形成致密的屏蔽層，阻止氧達(dá)到鉬的表面，氧化速度有所回落。這時(shí)氧化速度由氧透過(guò)屏蔽層的擴(kuò)散速率來(lái)決定。
鉬在900℃以上溫度和一個(gè)氣壓下吸收氨NH3。在900℃-2600℃之間隨溫度升高，氨在鉬中的溶解度（原子分?jǐn)?shù)）大約由0.01%增加到0.1%。在1500℃左右時(shí)生成氮化鉬，鉬材料在加工過(guò)程中吸入氮后會(huì)發(fā)脆，致密鉬材料在氨中加熱到1100℃-1500℃時(shí)就會(huì)有氮化物生成。在分解氨介質(zhì)中（氨分解為N2和H2）氮化速度比在純氨中快。氮化物穩(wěn)定性高。在1000℃-1400℃工作溫度下，可用氮化物彌散強(qiáng)化鉬合金。所以氨分解不能做鉬粉的還原氣使用。
三、鉬在超硬材料行業(yè)的中應(yīng)用
鉬在金剛石、立方氮化硼復(fù)合片生產(chǎn)中，利用其高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高彈性模量、提高抗氧化能力，應(yīng)用于1000℃--2000℃高溫得耐熱合金或強(qiáng)合金，在一定載荷下高溫應(yīng)用時(shí)具有較高的強(qiáng)度，不發(fā)生塑性變形和斷裂。因此高溫抗蠕變能力是高溫合金的主要指標(biāo)之一。鉬是目前使用溫度最高的高溫金屬材料。鉬在超硬材料行業(yè)中，生產(chǎn)復(fù)合片，是把鉬通過(guò)燒結(jié)，熔煉，軋制成鉬箔0.03-0.05毫米，制成不同規(guī)格的鉬條、鉬棒、鉬板鉬密封蓋、鉬球杯、鉬梯形杯、鉬錐形杯等。(見(jiàn)圖1)。根據(jù)用戶(hù)的不同要求異形鉬杯起到了高熔點(diǎn)、彈性模量高、高溫強(qiáng)度高、金屬隔離屏蔽層，也就是鉬坩堝制作粉末制品。在超硬材料行業(yè)，復(fù)合片是不可缺少的鉬杯基體材料之一，因此在超硬材料行業(yè)，高溫?zé)Y(jié)爐、脫氣爐、真空退火爐和高溫電爐的加熱體和反射屏材料，用鉬工作溫度可達(dá)1700℃使用壽命長(zhǎng)、成本低。鉬箔軋制沖壓前進(jìn)行熱處理，因?yàn)殂f及其合金的成品半成品主要采用消除應(yīng)力退火、不完全再結(jié)晶退火和完全再結(jié)晶退火，高溫退火和形變熱處理。從而提高金屬加工溫度和使用溫度，處于結(jié)晶狀態(tài)的鉬箔在室溫下表現(xiàn)出與面心立方結(jié)構(gòu)的金屬材料不同的力學(xué)行為。經(jīng)再結(jié)晶退火處理后面心立方結(jié)構(gòu)金屬材料形成等軸的再結(jié)構(gòu)組織，具有優(yōu)良的室溫塑性，可以在室溫下加工成型。
四、總結(jié)
由于鉬優(yōu)良的高熔點(diǎn)、高溫強(qiáng)度、高彈性模量及導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好的特性，不僅已成為軍工、原子能工業(yè)、氣體冷卻反應(yīng)堆的包套材料和堆芯結(jié)構(gòu)材料。尤其應(yīng)用在超硬材料行業(yè)中應(yīng)用市場(chǎng)廣泛。寶雞三立有色金屬有限責(zé)任公司十幾年來(lái)生產(chǎn)的鉬絲、棒、箔及各種異型件已經(jīng)遠(yuǎn)銷(xiāo)至日本、意大利和韓國(guó)等國(guó)家。
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