元素

74 钨 白炽灯灯丝的元素

作者:漂泊

钨是熔点最高的金属,也具有很高的硬度。钨合金在众多的工业领域都发挥着重要的作用:很多硬质合金都含有钨或者碳化钨;钨也是热强合金的重要组成部分。此外,钨也是我们生活中一种非常常见的金属,我们所使用的白炽灯的灯丝大多都是钨丝,它的存在为我们带来了光明。

钨的基本物理性质

分类 第VIB族·金属
原子序号·原子量 74 (183.84)
电子配置 5d46s2
密度 19.35 g/cm3
熔点 3410±20 oC
沸点 5927 oC
色·形状 银白色金属
丰度 10 ppm(地壳)
发现者 Carl Wilhelm Scheele, Juan José Elhuyar, Fausto de Elhuyar
主要的同位素 180W, 182W, 183W, 184W, 186W
用途例 白炽灯、卤钨灯、硬质合金、热强合金
前后的元素 钽-钨-铼

钨的发现

在中国,钨矿古代被称为“重石”。17世纪时,德国萨克森州厄尔士山脉的矿工注意到,有些矿石会干扰锡石的还原,并产生矿渣,矿工给这些矿石起了一些德国绰号:“wolfert”、“wolfrahm”。

1758年,瑞典化学家和矿物学家克朗斯泰特发现一种矿物,他将其称为“tungsten”,在瑞典语里意为“重石”。他深信这一矿物中包含一个尚未被发现的元素。

1781年,瑞典化学家Carl Wilhelm Scheele发现了白钨矿,他用碳酸钾与重石共熔,再添加硝酸,得到一种黄色的粉状固体。舍勒将这种粉状固体称为“tungsticacid”。此外,他还得到两个结论:一是重石中不含锡或锌,二是将“tungsticacid”还原后应该可以得到一种新的金属,这种金属就是“tungsten”。

1783年,西班牙两位研究矿石的兄弟Juan José Elhuyar和Fausto de Elhuyar兄弟发现了黑钨矿,他们将黑钨矿与木炭共热,得到了一种黑褐色的金属颗粒。通过进一步的实验,他们发现这种金属颗粒既坚硬,密度又大。

后来,Jöns Jacob Berzelius和Friedrich Wöhler给这一金属起了一个新名字:wolfram,但这一称法在德国和斯堪的纳维亚比较受认可,而英国、美国等国家更喜欢使用克朗斯泰给这一金属起的名字“tungsten”。1870年,清末科学家徐寿等编写《化学材料中西名目表》时,以“汉语固有旧字赋予新义”的原则,把“wolfram”翻译成钨。[1-6]

金属钨

白炽灯与卤钨灯

在钨被发现之后的一百多年里,人们并没认识到钨的重要性。1879年,著名的发明家爱迪生开始研制电灯,他尝试了1600多种不同的材料,最终制成了碳化纤维丝电灯。这就是最初始的白炽灯。由于这种电灯寿命虽有几百小时,不能满足人类的生活和工作需求,因此发明家们开始寻找新的更加适合制造白炽灯丝的材料。

白炽灯的发光原理都是利用物体受热发光原理和热辐射原理而实现的,最简单的白炽灯就是给灯丝导通足够的电流,灯丝发热至白炽状态,就会发出光亮,由于灯丝发热至白炽状态时,温度极高,因此一般的灯丝极易氧化和蒸发,故使用寿命较短。为了增加白炽灯的使用寿命,必须寻找熔点更高的材料。钨这种熔点极高的金属开始进入研究人员的视线。1900年,俄国发明家А.Н.Ладыгин首先建议在照明灯泡中应用钨。10年后,美国科学家库里奇在实验中发现钨的熔点高达3400多度,且升华速度很慢,非常适合于制作灯泡灯丝。他制作出了可延长的钨丝,并研制出钨丝灯泡。这种灯泡平均寿命达1500小时,成本也较低,很受市民欢迎。钨丝高的工作温度(2200-2500 ℃)可以保证高的发光效率,而小的蒸发速度则可以保证较长的使用寿命。

初始的钨丝白炽灯仍旧有不少缺陷,研究人员也在对其不断的改进。1913年,美国的I.朗缪尔发明螺旋钨丝,并在玻壳内充入氮,以抑制钨丝的挥发。日本的三浦顺一为使灯丝和气体的接触面尽量减小,将钨丝从单螺旋发展成双螺旋,发光效率有很大提高。1935年,法国的A.克洛德在灯泡内充入氪气、氙气,进一步提高了发光效率。1959年,美国在白炽灯的基础上发展了体积和光衰极小的卤钨灯。卤钨灯是填充气体内含有部分卤族元素或卤化物的充气白炽灯。在普通白炽灯中,灯丝的高温造成钨的蒸发,蒸发的钨沉淀在玻壳上,产生灯泡玻壳发黑的现象。而卤钨灯则利用卤钨循环的原理消除了这一发黑的现象。卤钨循环是指:在适当的温度条件下,从灯丝蒸发出来的钨在泡壁区域内与卤素物质反应,形成挥发性的卤钨化合物。由于泡壁温度足够高(250℃),卤钨化合物呈气态,当卤钨化合物扩散到较热的灯丝周围区域时又分化为卤素和钨。释放出来的钨部分回到灯丝上,而卤素继续参与循环过程。为了使灯壁处生成的卤化物处于气态,卤钨灯的管壁温度要比普通白炽灯高得多。相应地,卤钨灯的泡壳尺寸就要小得多,必须使用耐高温的石英玻璃或硬玻璃。由于玻壳尺寸小,强度高,灯内允许的气压就高,加之工作温度高,故灯内的工作气压要比普通充气灯泡高得多。在卤钨灯中钨的蒸发受到更有力的抑制,同时卤钨循环消除了泡壳的发黑,灯丝工作温度和光效大大提高,寿命也得到了相应的延长。

除此之外,钨丝也被用于制造电子振荡管的直热阴极和栅极,高压整流器的阴极以及各种电子仪器中旁热阴极加热器。[7-10]

硬质合金

钨是一种有色金属,有色金属合金的强度和硬度一般都较高,具有良好的综合机械性能。钨合金就是一类具有很高硬度和很强耐磨性的硬质合金,它被大规模应用于切削工具、穿甲弹、钻头、超硬模具等,用途十分广泛,涉及矿山、冶金、化工、军工、航天等多个工业领域。世界上开采出的约35%的钨矿都被用于生产硬质合金。

最常见的硬质钨合金就是钨钢,在钢中加入9%-17%的钨制成钨钢后,硬度可以大大提升;若再加入铬、钴等元素后,可以制成比钨钢硬度更高、更能耐高温的合金。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。作为最为重要的钨钢,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。它的特点是在空气中有很高的强化回火温度(700-800℃),并且能自动淬火,因此,直到600-650 ℃它还能保持很高的硬度和耐磨性。

除了钨钢,钨的碳化物也具有高耐磨性和难熔性,其硬度接近金刚石,因而也常被用于一些硬质合金中。这些合金中通常含有85%-95%的碳化钨和5%-14%的钴,钴是作为粘结剂金属,使合金具有一定的强度。加工过程是将碳化钨微米级粉末和金属粘合剂(如钴、镍、钼)在真空炉或氢气还原炉中烧结而成。当加热到1000-1100 ℃时,碳化钨基硬质合金仍具有高的硬度和耐磨性。碳化钨基硬质合金主要用于制造切削工具、矿山工具和拉丝模等,其切削速度远远地超过了最好的工具钢刀具的切削速度。[11-12]

热强合金

钨也是熔点最高的金属,它的熔点高达3400多度。除了具有很高的熔点,钨具备良好的高温强度,同时对熔融碱金属和蒸气有良好的耐蚀性能。但是,钨同时也具有塑性-脆性转变温度较高,在室温下难以塑性加工的缺点。

作为最难熔的金属,钨是许多热强合金的重要组成部分,热强合金在航空航天等需要使用耐极端高温材料的领域发挥着非常重要的作用。如含有3%-15%的钨、25%-35%的铬、45%-5%的钴、0.5%-0.75%的碳组成的钨合金,就主要用于生产强烈耐磨、耐高温的零件,这些零件被用在航空发动机的活门、压模热切刀的工作部件、涡轮机叶轮等领域。[13]

应用钨合金的航空发动机

钨的其他用途

钨酸钠用于生产某些类型的漆和颜料;而青铜色的氧化钨则被用来制作绘画颜料;钨酸可以用作纺织工业中的媒染剂与染料,在化学工业中则用作制取高辛烷汽油的催化剂;二硫化钨主要用在有机合成中,如在合成汽油的制取中作为固体的润滑剂和催化剂。另外,由于钨的热胀性与硅酸硼玻璃类似,所以它被用来做玻璃或金属密封。[14-15]

参考文献

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