一、钛的简介

 

钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定，如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特征。

 

钛的十大性能：

 

1、 密度小，比强度高

 

2、 耐腐蚀性能强

 

3、 耐热性能好

 

4、 耐低温性能强

 

5、 抗阻你性能强

 

6、 无磁性无毒性

 

7、 抗拉强度与其屈服强度接近

 

8、 换热性能好

 

9、 弹性模量低

 

10、吸气性能好

 

钛的物理特征：

 

外观：灰色，纯钛和以钛为主的合金是新型的结构材料

 

熔点：1725℃，耐热性能好

 

沸点：3287℃

 

纯度：99.9%

 

特性：密度小，容易加工，钛的塑性主要依赖于纯度，钛越纯，塑性越大。有良好的抗腐蚀性能，不受大气和海水的影响，缺点难于熔炼，在高温下化合能力极强。

 

钛的简单描述：钛是一种金属元素，灰色，能在氮气中燃烧，熔点高。纯钛和以钛为主的合金是新型的结构材料，主要用于航天工业和航海工业。地理表面十公里厚的地层中，含钛达千分之六，比铜多61倍。钛没有磁性，用钛建造的核潜艇不必担心磁性水雷的攻击。钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积的钢铁的一半，钛虽然稍稍比铝重一点，它的硬度却比铝大2倍，在宇宙火箭和导弹中，大量用钛代替钢铁。据统计，目前世界上每年用于宇宙航行的钛，已达一千吨以上。极细的钛粉，还是火箭的好燃料。钛的耐热性能好，熔点高达1725℃，在常温下，钛可以在各种强酸强碱的溶液中。在电化学中，钛是单向阀型金属，电位很负，通常无法用钛制作阳极进行分解。钛的最大缺点是难于熔炼。主要是因为钛在高温下化合能力极强，可以与氧、碳氮以及其他许多元素化合。钛的强度大，纯钛的抗拉强度最高可达180m

 

用途：主要用于航天和航海工业，车辆工程，生物医学等领域，有广阔的前景

 

钛合金的主要用途：

 

目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨，钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是TI=6AL-4V(TC4),TI-5AL-2.5SN(TA7)和工业纯钛（TA1，TA2和TA3）。钛合金主要用于制造飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。.

 

一种金属元素，灰黑色的结晶，质硬而脆，熔点很高，可以制成很细的丝和特种合金钢：～丝。～钢。～砂（精造的钨矿石）。

 

二、钨的简介

 

钨是稀有金属，也是重要的战略物资，在古代被称为“重石”。1783年被西班牙人德普尔亚命名。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。溶于王水以及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 cm3/mol

 

原子半径： 137皮米

 

外围电子排布： 5d56s1

 

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。

 

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。

 

分类：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MnWO4。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、湖南大顺窿、云南文山等地。多成砂矿，可用淘重砂法淘洗得到白钨矿。

 

用途：目前世界上开采出的钨矿，80%用于优质钢的冶炼，15%用于生产硬质钢，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，是一种用途较广的金属。

 

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。

 

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：

 

一、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%的铬、1%——5%的钒、4%——7%钴、0.7%——1.5%碳。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%钼、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，还含有钛、钽和铌的碳化物。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。西安元英粉末合金材料有限公司

 

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、铼）的合金用作热强材料。

 

触头材料和高比重合金：

 

用粉末冶金方法制造的钨-铜合金（10%——40%的铜）和钨-银合金，兼有铜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%的镍、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。

 

电真空照明材料：

 

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。

 

钨的化合物：

 

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和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、资兴、荼陵等地；以及广西和云南等省也都产有钨矿。

 

国外钨矿的主要产地是加拿大和美国。

 

三、钼的简介

 

钼与钨的性质非常相近，其沸点和导电性能突出，线热膨胀系数小，较钨易于加工。

 

属钼的热导率[135瓦／(米·开)]与比热[0.276千焦／(千克·开)]呈最佳搭配，使它成为抗热震和热疲劳的天然选择。它的熔点为2620℃，次于钨、钽，但密度却较之低得多，因此其比强度(强度／密度)大于钨、钽等金属，在对重量要求极关键的应用中，更为有效。钼在1200℃仍有高的强度。

 

次于钨、钽，但密度却较之低得多，因此其比强度(强度／密度)大于钨、钽等金属，在对重量要求极关键的应用中，更为有效。钼在1200℃仍有高的强度。

 

钼的主要缺点是抗高温氧化性能差(高于600℃迅速氧化)和室温延性不佳。为扬长避短，对高温氧化问题多采用涂层(如涂MoSi2、镀镍、镀铬等)办法控制；对塑性过差即通常说的低温脆化的欠缺，则通过合金强化和加人碳化物实现强化等措施解决。

 

钨(W)、铼(Re)、钽(Ta)、钛(Ti)和锆(Zr)等是常见的固溶强化元素。钨是钼的主要固溶强化元素，铼可把延脆转变温度降到—200℃。由它们形成的工业钼合金参见表。其中由镧构成的钼镧合金显示出极为突出的抗蠕变及高温变形能力，其在高温下的这一特性表现得尤为明显。

 

工业钼合金及其应用

 

合金

 

标称成分(重量％)

 

应 用

 

纯钼

 

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状态)

 

真空炉、玻璃熔炼、电子器件、热阱

 

热加工工具、炉子安装用具

 

热加工工具

 

熔融锌处理、溅射靶

 

行波管、火箭助推器

 

烧结舟皿

 

钼的用途

 

从全球的消费结构看，钼确实称得上是铁的同盟军。西方发达国家对钼的需求80%源于钢铁，不锈钢吸纳30％的钼，低合金钢吸纳30％，钻探刀头和切削刀具占10％，铸钢占10％。另外20％的钼消费在钼化学制品、钼基润滑剂和石油精炼等方面。颇为典型的美国1998年在钢铁生产中钼的消费比例是75％。

 

此外以钼为基的合金在电子、金属加工及航天工业中也得到日益广泛的应用。

 

1．钼合金

 

TZM合金具有优异的高温强度及综合性能，是应用最广泛的钼合金。美国用TZM合金制作发动机的涡轮盘，其用钼量占钼总用量的15％。我国生产包括TZM钼合金在内的钼材已不下于22个牌号，20世纪90年代初我国钼及钼制品的产量已近200吨。

 

TZM和TZC钼合金的高温机械性能比纯钼好，广泛用于制造高温工、模具及各种结构件。我国早在20世纪年代即已成功地将它们制成各种无缝钢管的热穿孔顶头。此种用粉冶技术制造的烧结钼顶头减少了原料消耗(为铸态的50％)，平均使用寿命提高1.5～2倍。

 

钼铼合金(含50％Re)制成的无缝管高温性能优良，可在接近其熔点的温度下使用，用作热电偶套管和电子管阴极的支架、环、钼合金除具有高温强度，良好的导电、导热和低的热膨胀系数(与电子管用玻璃相近)外，还拥有较钨易于加工的优势，因此用常规加工方法生产的板、带、箔、管、棒、线和型材等在电子管(栅极和阳极)、电光源(支撑材料)零件，金属加工工具(压铸和挤压模、锻模、穿孔顶头、液态金属滤筛)及涡轮盘等部件中得到广泛应用。

 

2．钢的合金元素

 

钼作为钢材的盟友，和镍、铬一起作为合金元素能够减少合金钢在热处理时经常发生的脆变。在高速钢中用钼代替钨在解决钨资源不足方面，美国走在了前面。据计算，钼具有两倍于钨的“能力”。这样一来含钨18％的钢可由含钼9％的钢代替(同时加入铬与钒)，大大降低了钢的生产成本。钼在不锈钢内的作用是提高耐蚀性、增加高温强度及改善可焊性。可见钼在钢铁工业中有着非同凡响的作用。

 

3．其他应用

 

钼在真空炉工作的温度和压力下，具有极低的蒸气压。因此钼零件对炉内工件或工作物质的污染最少，并且蒸发损失肯定不会制约诸如加热元件和隔热包封等钼质高温零件的使用寿命。

 

在制造玻璃制品方面钼的高温强度使它成为快速加热期间最为理想的电极与处理和加工设备。钼与大多数玻璃组分在化学上是相容的，更不会由于小量钼溶解在玻璃熔槽内而造成有害的发色效应。作为玻璃熔炼炉中的加热电极，其寿命可长达3～5年。

 

4．新兴应用

 

解决钼的低温延性和高温氧化问题的主要途径就是开发一种以二硅化钼(MoSi2)为基的先进复合材料。

 

钼与氧接触形成的Mo02在800℃升华，冷凝时得到一种黄白色的翳状物，给发挥钼在高温强度和抗蠕变性能上的优势造成了严重的工程问题。为此采用了有自愈能力的富硅涂层，然而这种涂层抗热循环效应的能力极差。而以二硅化钼作基体的复合材料Mo-Si-B的高温强度和抗氧化能力极好，但延性差，仅限生产小批量商用产品。为解决延性问题，最近确定了这种钼—硅—硼系复合材料的组成范围，使之除抗氧化性能奇佳外，高温机械性能与TZM合金相当。该复合材以Mo5SiB(T2)为基体相，以金属钼为第二相。金属相提高了复合材料的延性，基体相可形成自愈性的氧化皮。目前制成的同时加入钛的Mo-6Ti-2.2Si-1.1B复合材料在1370℃下暴露在空气中2小时，肉眼几乎看不到变化，较之TZM还要优越。这是钼基合金一项了不起的成就。

 

钼的第二项新成就是作充填炸药弹头的内衬(军事上叫药型罩)，这种弹头在军事和工业应用中可穿透和切削很深的深度。在这类装这种弹头在军事和工业应用中可穿透和切削很深的深度。在这类装置内，内衬周围的炸药以可控的方式起爆，使内衬以一种非常奇特的方式变形。变形使内衬材料产生有极高速度、极大张力的棒状碎片(喷射器)可深深地穿入靶材或目标。

 

衬钼炸药药型罩的开发是一个崭新的研究领域。传统弹头药型内衬材料是铜，但钼的声速为5.12千米／秒(铜为3.94千米／秒)、密度10.2克／厘米3(铜为8.93克／厘米3)。为获得高速相干喷射，尖头必须要有高的声速。使用钼的药型设计可使喷射尖头的速度大于12千米／秒，而使用铜速度尚不足10千米／秒。两者速度相差20％～25％，其原因就在于高声速使尖头的能量增加，从而导致穿透力提高。最新的炸药药型罩以锥形和嗽叭型为好。用钼代铜将是军械上的一项重要改革。

 

钼的第三项新成就是制造平板型显示设备。在电子行业，平板型显示设备至今仍然使用有源矩阵液晶显示(LCD)技术。但LCD正与处于不同开发阶段的场发射显示(FED)、电致发光显示(EL)、等离子体显示面板(PDP)、阴极射线发光显示(CRT)及真空荧光显示(VFD))进行着全方位的激烈竞争。在这项显示工艺中，显示借两块被真空隔离的玻璃薄片实现。背面的玻璃当作阴极，在这片玻璃上以场发射极阵列的形式分布着5亿个以上的发射极尖端，发射极间的间隔比电视屏幕上的象素小得多。发射极尖端即由钼制造，它们在显示时既可单独控制亦可分组控制。鉴于它们的视角宽，响应时间快，有宽的温度范围公差，特别是功耗低，与要求清晰、明亮、可移动、耐用的潮流一起，成为发展乎板显示工艺的主要推动力。显示市场有高达100亿美元以上的市场。平板显示工艺用电子束蒸发将钼沉积在发射极尖端上，其用量虽少，但对发展大屏幕、高清晰度电视却有着不可限量的前程。