钨钼材料的物理化学性质

第一节 钨钼在国民经济中的重要地位 返回

钨和钼是稀有金属，在地壳中的含量很低。许多优越的性能使其应用范围越来越广。金属钨和金属钼具有熔点高、比重大、高强度、高硬度、导电和导热性能良好和耐腐蚀性强等一系列优异的综合性能，是理想的高温高强度结构材料。

钨和钼是钢和有色金属的重要添加元素。钨钢和钼钢在常温和高温下都具有相当高的强度，硬度和抗蚀能力以及较长的使用寿命。有色金属合金中添加钨和钼，也能提高合金的强度，耐磨性和抗蚀能力。

碳化钨是目前应用最广泛的一种硬质合金材料，他具有很高的硬度和红硬性，普遍用于切削，耐磨部件、模具、量具和矿山采掘设备上。目前，钨在这方面的消耗量占其总消耗量的40％以上。

随着火箭导弹技术的发展，对材料提出了更严格的要求。钨和钼在这方面也开发了新的应用途径；如火箭发动机的喷嘴和高热流元件，以及人造卫星、宇宙飞船和航天飞机的重要结构材料等。

在原子能工业中，钨和钼作为包套材料合金的不可缺少的添加元素和耐高温部件。在电子工业和电光源工业中，钨、钼及其合金用于制造各种焊接电极及其他结构元件，在机械工业和电气工业中，用于制造各种精密仪表中的弹簧丝，高温电阻中的发热体，真空喷镀用的螺旋线圈和舟皿等。

热工工业中的热电偶，采用钨铼热电偶具有理想的高温机械性能和热电性能。它可以测量的温度范围为－15.6℃～－3103℃，而且精确度高（误差仅为6.6℃），反应快（应答时间为1/4秒）

此外，钨和钼的化合物在纺织、医药、玻璃等工业中也有广泛的用途。

电真空用的钨钼制品的生产是钨钼冶金的一个重要的组成部分，是本教材着重要讨论的内容。

我国的钨矿储量占世界的50％以上，钼的储量也相当丰富，在钨钼粉末冶金方面，我们已经取得了很大的成绩，但是，与世界上工业发达国家相比还有很大的差距，我们应该加倍努力，在尽量短的时期内，使我国的钨钼制品打入世界市场，赶上和超过世界先进水平。

第二节 钨钼的物理性质和机械性质 返回

钨和钼都属周期表中的第Ⅵ族元素，都是银灰色的金属，具有相近的物理、机械和化学性质。

1.2.1 物理性质

钨和钼的某些主要的物理性质列于表1和表2：

基本物理常数 表1

●

1.2.2 机械性质

钨与钼的机械性质在很大程度上取决于其机械加工和热处理状态。 某些机械性质列于表3：

第三节 钨和钼的化学性质

1.3.1 与气体和蒸汽的反应

（一） 与氧和空气的反应：金属钨和金属钼常温下：在空气中是稳定的，在约400℃开始氧化，在更高的温度下迅速氧化，生成三氧化钨和三氧化钼。

（二） 与氮气反应：钨在低于2000℃时，不与氮气反应，高于2000℃与氮气作用生成氮化物WN 2。氮气在600℃以上缓慢地溶解于钼中，1200℃以上使钼发脆，高于1500℃钼与氮气反应生成氮化物。

（三） 与水蒸气的反应：钨和钼容易与水蒸气发生氧化反应，这种作用在600℃以上更为急剧。

（四） 与碳和含碳的气体反应：各种含碳气体和固体碳（碳黑、煤、石墨）在1000～1200℃范围与钨和钼开始反应，生成碳化物（W 3C 、WC 和Mo 2C 、MoC ）1400～1600℃下，反应加剧。金属钨和钼中即使含有少量的碳化物杂质，也会使钨和钼脆化。

（五） 直到熔点温度，氢气都不与钨和钼发生作用，使氢气成为钨和钼热处理过程中的重要介质。但在低于1200℃时，钨轻微吸收氢气。

（六） 金属钨加热至500℃时，直接与氯气发生作用，生成WCl 6，温度更高时，WCl 6

分解成WCl 5。碘蒸汽对钨不起作用。 1.3.2 与酸碱的反应

不加热时，钨不与任何浓度的盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸及王水作用。加热至80～100℃时，钨在氢氟酸中仍是稳定的，与盐酸和硫酸发生微弱的作用，硝酸和王水对钨则开始显著侵蚀。室温下，钨迅速溶解于硝酸：氢氟酸＝4：1的混合液中。钼对酸的稳定性较差。不加热时，钼在盐酸和硫酸中是温度的，80～100℃时稍微溶解。硝酸和王水在不加热时就能缓慢地溶解钼，加热时则迅速溶解。5体积硝酸、3体积硫酸和2体积水的混合液用于溶解螺旋钨丝的钼芯线。

钨和钼在冷碱溶液中是稳定的，加热时，稍微被碱溶液侵蚀。

在通入空气或有氧化剂（NaNO 3、NaNO 2、KNO 3、KCeO 3、PbO 2）的存在时，熔融碱强烈地氧化和溶解钨和钼，生成碱金属的钨酸盐和钼酸盐。

第四节 钨和钼的化合物

1.4.1 氧化物

MeO 3和MeO 2型氧化物是钨和钼最稳定的氧化物。此外还有一系列的中间氧化物。 （一） 三氧化钨和三氧化钼

三氧化钨和三氧化钼是钨、钼生产的重要化合物，某些物理性质列于表4。

和MoO 的物理性质

褐色，冷却后又恢复原来的颜色。三氧化钼是淡黄色粉末，加热时呈鲜黄色，冷却后颜色变淡。

三氧化钨和三氧化钼溶解于苛性碱、苏打等溶液中，生成钨酸盐和钼酸盐。 在高于600℃的温度下，三氧化钨开始升华，850℃时显显著升华。三氧化钼在高于650℃时显著升华。

在高于700℃的温度下，三氧化钨和三氧化钼可以被氢和碳还原成金属。

（二） 二氧化钨和二氧化钼 用氢还原钨和钼的高价氧化物，可以制得WO 2和MoO 2。在不通入空气和高于400℃得条件下，煅烧金属粉末和高价氧化物得混合物，也可以得到MeO 2型得氧化物。MoO 2和WO 2的物理性质如表5所示。

WO 2和MoO 2在高于1000℃时显著升华。

WO 2和MoO 2不溶于水、碱性水溶液、硫酸及盐酸中，硝酸能够将其氧化成高价氧化物。

第五节 粉末的特性

自然界中的物质，按物态来分，可以分为固态、液态和气态；按照分散和连接程度来分，又可把固态物质分为致密体、粉末体和胶体，粉末介于致密体和胶体之间。通常把颗粒大小介于1毫米到0.1微米的粒子叫做粉末颗粒，由大量颗粒组成的聚合体叫粉末体——简称粉末。粉末中存在着大量的空隙。粉末的性能包括单个颗粒的性能和粉末体的性能。粉末的性能所包涵的内容列于表10。

颗粒形状等都取决于粉末的生产过程，由于粉末内部存在孔隙，粉末颗粒的实际密度即真实密度，总是低于理论密度。粉末具有很大的表面积，颗粒越细，表面积越大，表面氧化和吸附气体、水分的活性也越大。粉末的粒度和粉末的表面用于表征这一特性。

粉末的性能，一般可以分为化学成份，物理性能和工艺性能。粉末的工艺性能一般用松装密度、流动性和压制性来表征，是粉末其它所有性能的综合表现。 2.2.1 化学成分

在粉末性能的标准中，对其中杂质和主要金属的含量都有所规定，表11列举了美国钨粉的化学成分标准。

钨粉中杂质的来源包括：（1）与金属结合的杂质，如钨粉中的Fe 、Ni 、C 、Mo 、Ca 等；（2）粉末颗粒表面的氧化；（3）未还原的氧化物；（4）生产过程中带入的杂质。

粉末的化学成份按规定的分析方法测定。

粉末的颗粒形状随粉末生产的方法而异。它们之间的关系如表12所示。

粉末颗粒形状与生产方法之间的关系 表12

a

b

c d

e

a— 球状e—树枝状

b—圆形

f

g

c—多角状g—多孔状

h

d—树枝状h—碎片状

f—不规则形状

图5 金属粉末的不同形状

2、2、2、粒度和粒度组成

粉末的粒度是指粉末颗粒的大小。对于粉末体而言，粒度是指颗粒的平均大小。粉末的颗粒度也与生产条件有关。例如，用氢还原钨粉时，还原温度升高，颗粒变粗（表13）

钨粉的粒度与还原温度的关系 表13

粉末的粒度按粗细一般分为很多级(表14)

粉末粒度的级别 表14

按一定粒度范围把粉末分成许多级，用每一级粉末占整个粉末的百分含量（常用重量百分数）来表示粉末的粒度组成。

测定粉末粒度的方法很多，最常用的是筛分法。筛分法是用一套筛子，按筛网孔径的大小依次叠合，从上往下孔径是由大到小，把一定重量的粉末放入第一层筛子内，在振动机上

振动15分钟，粉末被各级筛子按一定粒度范围分成许多级。然后称出各级粉末的重量，换算出重量的百分数。

筛网孔径的大小以1英寸筛网上筛孔的个数来表示。例如：100目，筛就是1英寸筛网上有100个孔，网目数越大，筛孔的孔径越小，通过的粉末就越细。

筛粉法适用于粗粉和中等粒度的粉末，不适用于分析极细粉末和超细粉末。测定细粉末粒度的方法有显微镜法，沉降法和气体沉降法等。表17列举了测定粉末粒度的各种方法。

2.2.3 比表面

粉末的比表面是指每克粉末具有的表面积。用平方厘米/克或平方米/克表示。粉末比表面的大小影响粉末烧结过程及产品的性能。粉末的比表面又受粉末粒度和颗粒形状的影响。粉末的颗粒越细，形状越复杂，比表面就越大。

常用气体透过法和吸附法测定粉末的比表面。 2.2.4 流动性

粉末的流动性是指粉末充填一定形状容器的能力。粉末的流动性对实现压制的自动化就是非常重要的。粉末的流动性主要取决于颗粒间的摩擦力大小，也受颗粒度和颗粒形状的影响。

粉末的流动性可用粉末静堆放时的自然坡度角（θ）来表示。流动性差的粉末自然坡度角（θ）大，流动性好的粉末，静止堆放的自然坡度角（θ）小。

生产中，用霍尔流速计（粉末流动仪）测量粉末的流动性。测定时，取一定重量（一般用50克）的粉末倒入流速漏斗中，记录粉末全部通过漏斗孔的时间——秒数。在这里，是用流速表示流动性。粉末流出所需要的时间越长，流动性越差。 2.2.5 松装密度

粉末松装时单位体积的重量叫做粉末的松装密度。用克/立方厘米表示。粉末的松装密度是压模设计的重要依据，是整个粉末冶金过程中最重要的控制参数之一。在某些情况下，也使用粉末的摇实密度。粉末摇实时单位体积的重量叫做摇实密度。

粉末松装密度的大小受颗粒度、粒度组成、颗粒形状、颗粒内孔隙以及颗粒潮湿程度等因素影响。

（1）粒度和粒度组成：粉末的粒度越粗，松装密度越大。随着粉末分散度提高，颗粒间的摩擦增加，松装密度减小。

当粗粉和细粉按一定比例混合时，可以得到较大的松装密度。

（2） 颗粒形状：粉末颗粒形状越规则，松装时越容易填充，粉末的松装密度越大。球形粉末的松装密度比不规则形状和树枝状粉末的松装密度大。

（3） 颗粒内部孔隙：在其他条件相同时，粉末颗粒越致密，松装密度越大。

（4） 粉末松装密度的测定：对于流动性较好的粉末，如铁粉、铜粉，使用图7的霍尔流速计测定，按下面的公式计算粉末的松装密度：

r

21

松 ＝ V 克/立方厘米

式中：r 松——粉末的松装密度，克/立方厘米，V ——量杯的体积，P 1——量杯的重量，

P 2——总重量。

对于流动性差的钨粉、钼粉，不能用霍尔流速计测定，因为漏斗的孔径太小。而是使用图8所示的斯柯达粉末松装密度测定仪。

练习题 1、 金属钨、钼的物理性质？ 2、 简述钨、钼的化学性质？

3、影响钨、钼加工性能的因素有哪些？ 4、钨、钼用途？

5、影响粉末松装密度大小的因素有哪些？