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鉬的應用及其發展

鉬與鎢一樣是一種難熔稀有金屬。自1778年瑞典科學家C.W.SCHEELE發現鉬元素之後，經過十餘年努力M.MOISSAN才用電爐制得金屬 鉬，使人類第一次得到這種具有許多優良物理化學和機械性能的金屬。鉬的熔點為2620℃，由於原子間結合力極強，所以在常溫和高溫下強度都很高。它的膨脹 係數小，導電率大，導熱性能好。在常溫下不與鹽酸、氫氟酸及堿溶液反應，僅溶于硝酸、王水或濃硫酸之中，對大多數液態金屬、非金屬熔渣和熔融玻璃亦相當穩 定。因此，鉬及其合金在冶金、農業、電氣、化工、環保和宇航等重要部門有著廣泛的應用和良好的前景，成為國民經濟中一種重要的原料和不可替代的戰略物質。

鉬 在地球上的蘊藏量較少，其含量僅占地殼重量的0.001%，鉬礦總儲量約為1500萬噸，主要分佈在美國、中國、智利、俄羅斯、加拿大等國。我國已探明的 鉬金屬儲量為172萬噸，基礎儲量為343萬噸，僅次於美國而居世界第二位。鉬礦集中分佈在陝西、河南、吉林和遼寧等四省。世界上金屬儲量在50萬噸以上 的特大型鉬礦共有六個，我國的河南欒川、吉林大黑山和陝西金堆城三大鉬礦榜上有名。豐富的鉬資源，為我國發展鉬的冶煉和加工，大力推廣鉬的應用，提供了極 為有利的條件和堅實的基礎。

近年來，我國鉬的開採、冶煉和加工得到了迅速的發展。據資料介紹，2001年我國實際生產鉬精礦 72000噸，氧化鉬33000噸，鉬鐵7600噸，各類鉬酸銨9500噸，鉬條1183噸，鉬板坯1200噸，鉬板材150噸，鉬圓片40餘噸，鉬頂頭 及其他異型製品約50噸，電光源行業及機械加工鉬絲31.5億米，還有潤滑劑、催化劑、顏料等化工產品數百噸。不僅如此，我國在世界鉬市場中佔有舉足輕重 的地位，據海關統計，2001年我國出口鉬礦焙砂、鉬酸鹽、鉬鐵及其他鉬製品70274噸之多，創匯達2.62億美元。

鉬的消費形式以工業 三氧化鉬為主，約占70%，鉬鐵約占20%，金屬鉬和鉬化學製品各占5%。其應用領域和分配比例大概如下：鋼鐵冶煉消費約占80%（其中合金鋼約為 43%，不銹鋼約為23%，工具鋼和高速鋼約8%，鑄鐵和軋輥約為6%），化工產品約占10%，金屬鉬製品消費約占6%，高溫高強度合金和特殊合金約占 3%，其他鉬製品約為1%。由上可見鋼鐵工業的發展對鉬的消費起著決定性的作用，但隨著科學技術的發展，鉬在高科技和其他領域的應用將會不斷地擴大和發 展。鋼鐵工業 根據世界各國鉬消費統計，鉬在鋼鐵工業中的應用仍然佔據著最主要的位置。鉬作為鋼的合金化元素，可以提高鋼的強度，特別是高溫強度和韌性；提高鋼在酸堿溶 液和液態金屬中的抗蝕性；提高鋼的耐磨性和改善淬透性、焊接性和耐熱性。鉬是一種良好的形成碳化物的元素，在煉鋼的過程中不氧化，可單獨使用也可與其他合 金元素共同使用。特殊鋼的耗鉬量在有規律地增長，目前每噸特殊鋼的鉬消耗量已達到0.201公斤的水準。

鉬與鉻、鎳、錳和矽等可製造不同類 型的不銹鋼、工具鋼、高速鋼和合金鋼等。所製成的不銹鋼有良好的耐腐蝕性能，可用於石油開採的耐腐蝕鋼管，一種加鉬約6%的不銹鋼還可取代鈦用於海水淡化 裝置、遠洋船舶、海上石油及天然氣開採管道。這類不銹鋼還可以用於汽車外殼、汙水處理設備等。含鉬工具鋼的效率是鎢工具的兩倍，性能優良，成本低廉且重量 較輕。鉬系列高速鋼具有碳化物不均勻性、耐磨、韌性好、高溫塑性強等優點，適用於製造成型刀具。含鉬合金鋼可用於製造機床結構部件，工業車輛和推土設備。 在軋製狀態下有微細珠光體組織的含鉬合金鋼，是鐵軌和橋樑建設中的重要鋼材。

鉬作為鐵的合金添加劑，有助於形成完全珠光體的基體，能改善鑄 鐵的強度和韌性，提高大型鑄件組織的均勻性，還可以提高熱處理鑄件的可淬性。含鉬灰口鑄鐵具有很好的耐磨性，可作重型車輛的閘輪和刹車片等。農用肥料鉬是 植物體內必須的“微量元素”之一，約占植物幹物量的0.5ppm左右，是不可缺少和不可替代的。近年來國內外廣泛地採用鉬酸銨作為微量元素肥料，能顯著地 提高豆類植物、牧草及其他作物的品質和產量。這主要是鉬能促進根瘤菌和其他固氮生物對空氣中氮的固定，並將氮元素進一步轉化成植物所需的蛋白質。鉬也能促 進植物對磷的吸收和在植物體內發揮其作用。鉬還能加快植物體內醣類的形成與轉化，提高植物葉綠素的含量與穩定性，提高維生素丙的含量。不僅如此，鉬還能提 高植物的抗旱抗寒能力以及抗病性。施用鉬肥的特點是用量少，收效大，成本低，是提高農業收成特別是使大豆豐收的一項重要措施。鉬在農業上的廣泛應用，也為 我國鉬生產工廠的廢水、廢渣及低品位礦的綜合利用，開闢了一條新的途徑。

電子電氣 鉬有良好的導電和高溫性能，特別是與玻璃的熱膨脹係數極其相近，廣泛地用於製造燈泡中螺旋燈絲的芯線、引出線、掛鈎、支架、邊杆及其他部件，在電子管中做 柵極和陽極支撐材料。在超大型積體電路中鉬用作金屬氧化物半導體柵極，把積體電路安裝在鉬上可以消除“雙金屬效應”。超薄型無縫鉬管（約15μm）可用作 高清晰度電視機顯像管的陽極支架，這種電視機的圖像掃描線達1125條，比一般的電視機提高2倍。鉬圓片還可作功率電晶體隔熱屏和矽整流器的基板和散熱 片。

在現代電子工業中除使用純鉬外，Mo-Re合金可作電子管和特種燈泡的結構材料，Mo-50Re和TZM合金還可作高功率微波管和毫米 波管中的熱離子陰極結構元件，其工作溫度可達到1200℃，電流密度可達10安培/釐米2。作為引出線的的純鉬絲再結晶溫度低，在高溫下易出現脆化，影響 使用壽命，近年來，有人研製出添加Si、k和C等元素，以提高再結晶溫度，生產出“高溫鉬絲”。採取在氧化鉬生產過程中添加稀土元素釔、鈰、鑭等，更能有 效地提高再結晶溫度，克服材料高溫脆化問題。含0.1—0.3%鋯、0.1%鈧的鉬絲，在1200℃氮化處理，使鈧彌散到整個合金中去，這種鉬絲在20℃ 時抗拉強度可達到1400百萬帕斯卡。模具工業的迅速發展，使電火花加工技術得到普遍的應用，鉬絲是理想的電火花線切割機床用電極絲，可切割各種鋼材和硬 質合金，加工形狀極其複雜的零件，其放電加工穩定，能有效地提高模具的精度。

以上是鉬絲兩種最為廣泛的用途，燈泡製造業的發展和模具製造業 的崛起，使得鉬絲的生產和消費突飛猛進。據中國照明協會統計，2001年全國生產鉬絲達到31.5億米，實際產量估計達到40億米，消耗將近800噸鉬 條，其數量十分可觀。其中線切割用鉬絲產量超過20億米，占鉬絲總量的一半以上，其市場發展前景十分令人樂觀。   

 鎢-銅假合金廣泛應 用電火花切削工具電極，然而近年來研究以鉬取代鎢作電極，結果表明，鎢基和鉬基電極隨銅（≤50%重量）的含量而變的耐蝕性是不一樣的。在加熱脈衝和機械 負荷脈衝存在時，這種耐腐蝕性主要取決於脆裂過程，鉬的延-脆性轉變溫度較鎢低，所以脆性小，耐蝕性能較強。鉬-銅、鉬-銀假合金具有耐燒蝕性和良好的導 電性，可以作為空氣開關、高壓開關和接觸器的觸點。鉬-銅複合薄膜在連續的銅機體上夾帶大量的離散鉬粒子，顯微組織均勻，有良好的穿厚導熱性和導電性，可 作金屬芯子應用於多層電路板中。最近，還研製出可變色的三氧化鉬，這種材料在強光照射下會改變顏色，且可輕易還原，可用於電子電腦光記憶元件及多次使用 的複印材料。

汽車噴塗鉬的熔點高達2620℃，且有良好的高溫性能和耐腐蝕性能，鉬與鋼鐵結合力強，因而是汽車部件生產中主要的熱噴塗材 料。汽車部件一般採用鉬絲高速火焰噴塗，噴槍的氣體混合噴射裝置產生高溫燃氣燃燒，特殊設計的燃燒室和氣體噴射混合室，使鉬絲在完全熔化前，以極高的速度 噴塗在工件的表面上，噴射鉬的緻密度可達99%以上，結合強度接近10公斤/㎜2。這一工藝過程能有效地改善受磨面的耐磨性，也提供了一個可以浸漬潤滑油 的多孔表面。它廣泛地應用於汽車工業以提高活塞環、同步環、撥叉和其他受磨部件的性能，也用於修復磨損的曲軸、軋輥、軸杆和其他機械部件。據資料介紹噴塗 鉬絲歐洲市場年銷售量可達1000噸，美國每年消耗量也達600噸左右，日本每年也消耗鉬絲30—40噸，我國噴塗鉬絲市場容量尚小於每年30噸。但隨著 我國汽車工業的發展，汽車齒輪和其他部件的熱噴塗將有較大發展，噴塗鉬絲的銷售量將大幅度增長。高溫元件 鉬的純度高、耐高溫、蒸汽壓低等特性，使之常常被用來製造高溫爐的發熱體和結構材料。在鎢鉬及硬質合金生產過程中，大都採用鉬絲加熱的方式製作還原爐和燒 結爐，部份鐵製品連續燒結還採用鉬杆加熱排作發熱體，鉬杆加熱排以鉬鉤懸掛於爐子的兩側。這類爐子一般為還原性氣氛或非氧化性氣氛，在氫氣和分解氨中鉬絲 可使用至接近熔點，氮氣中可使用至2000℃。高於1700℃使用時，可採用再結晶溫度更高、強度更好的TZM合金或鉬鑭合金作發熱體。鉬在熔化的石英中 有很好的抗燒蝕性能，在玻璃工業中用作通電熔融電極，每生產一噸玻璃鉬電極僅損失7.8克，使用壽命可長達一年多。除作電極外，鉬還用作玻璃熔化高溫結構 材料，如導槽、管子、坩堝、流口以及稀土冶煉的攪拌棒。以鉬代鉑在玻璃纖維拉絲爐上使用效果良好，大大降低了生產成本。新近研製出的核燃料燒結爐採用鉬網 加熱，用ф0.8mm鉬絲編織成三相網狀加熱器，工作溫度可達1800—2000℃。除此之外，鉬及其合金還可以作熱等靜壓的爐架、隔熱屏、燒結和蒸塗的 料舟、SmCo磁體及二氧化鈾燒結的墊板，熱電偶及其保護套管等。

矽化鉬（MoSi2）是一種應用極為普遍的電熱元件材料，具有抗高溫氧 化、優異的耐蝕性能和高熔點等特性。其抗氧化性是由於在加熱表面形成了不透氣的玻璃薄膜，使之不受氧、氮、一氧化碳和二氧化硫的破壞，在1700— 2000oK溫度下，二矽化鉬加熱可以工作二、三年之久。但低劣的機械性能影響矽化鉬的應用，如果在矽化鉬中加入SiC形成一種複合材料，這種材料將碳化 矽彌散進二矽化鉬的基體中，生成含有鉬原子和矽原子的雙金屬化合物，其高溫強度較二矽化鉬單體高8倍之多，使其應用前景大受青睞。石油開採 在開發低窪地區酸性天然氣、油田和開發海底油氣田時，不僅有大量的H2S氣體產生，還有海水的浸蝕，使鑽探管道硫化發脆，迅速腐蝕。選用含鉬高強度不銹鋼 管可有效地抵抗H2S氣體和海水的腐蝕，大大節約鋼材，降低油氣井的鑽探成本。鉬不僅可以應用于油氣田鑽探管道方面，還常常與鑽、鎳相結合作石油提煉預處 理的催化劑，主要是石油，石油化學產品及液化煤的脫硫。在氫處理過程中，硫化物在催化劑的表面與氫反應，硫離子以硫化氫的形式除掉，同時消除了原油中氮和 金屬雜質，以減少這些雜質在石油精煉時對其他催化劑的毒化，從而改善產品的色澤、氣味和提高其穩定性。鉬催化劑鈍化後在其表面殘留一層碳，如果燒掉碳層， 催化劑又可恢復其活性狀態，使用壽命可為1—5年左右。鉬在石油裂化與重整中起著重要的作用，是一種理想的電子供體和載體。

環境保護人們越 來越清楚地認識到，鉬在控制環境污染方面起著重要的作用，含鉬不銹鋼的大量應用，大大減少了因銹蝕而造成對環境的影響；另外鉬及其化合物大都沒有毒性，利 用比較安全的鉬取代有毒的金屬，也是鉬對人類環境保護的一大貢獻。在油漆和顏料工業中鉬可取代有毒的鉻、鉛、鈦等金屬，並且是高效的著色劑；在化學制品行 業可取代防腐劑中的鉻和阻燃物，硝煙物中的銻；鉬在水處理工業中的應用中也具有潛力，主要在開路和閉路迴圈冷卻系統的冷卻水處理中用於抑制腐蝕，在開路冷 卻塔中每升冷卻劑的二鉬酸鈉含量為10毫克，而閉路冷卻水空調裝置中每升可達150毫克，鉬酸鈉作為汽車防凍劑和冷卻系統以及切削液中防腐劑的用量也在不 斷增加。有人還提出鉬可以改善玻璃化土壤，簡化高污染土壤的處理，減少土壤污染。航空及核工業 鉬合金由於有極好的耐熱性能和高溫機械性能，可作航空器發動機的火焰導向器和燃燒室，宇航器液體火箭發動機的喉管、噴嘴和閥門，重返飛行器的端頭，衛星和 飛船的蒙皮、船翼及導向片和保護塗層材料，鉬熱脹係數低和導熱性能好，在太陽輻射光強烈作用下尺寸穩定性特別好，用金屬鉬網作成人造衛星天線，可以保持其 完全拋物的外型，而較之石墨複合天線重量更輕。巡航式導彈使用鉬塗層材料作汽輪轉子，在1300℃高溫下工作，每分鐘轉速高達4—6萬轉，已顯示出良好的 效果。     鉬的中子吸收截面小，有較好的強度，對核燃料有較好的穩定性，抗液體金屬腐蝕性好，在核聚變反應堆中作轉換器鎧裝元件的保護片。Mo-Re合金可用於空間 核反應爐的熱離子能量轉換器包套材料、加熱器、反射器和其他的絲或薄板元件。  鉬合金及其他 鉬是一種高效多能的合金化元素，不僅在鋼中添加顯示出獨特的作用，也能與多種有色金屬生成性能優良的合金。

在鉬中添加Ti、Zr、C的氧化 物或碳化物，形成彌散強化合金TZM。TZM合金除應用在宇航和核工業外，還可以作X射線旋轉陽極零件，壓鑄模具和擠壓模具，在擠壓銅基合金時，其操作溫 度可在870—1200℃。TZM合金還非常適合作不銹鋼熱穿孔頂頭，穿孔鋼管內壁品質好，使用壽命長。加入少量稀土元素的TEM合金有較高的再結晶溫 度，再結晶時的延性較普通鉬材高5倍，也有良好的應用前景。含鈦、鋯和碳的鉬合金（MT-104），含鉿和碳的鉬合金（HCM）及含鎢、鉿和碳的鉬合金 （HMW）均有較高的強度，可加工成棒、板、鍛坯和其他製品，大有用武之地。Mo-30w是一種固溶體合金，熔點達到2800℃以上，在鋅冶煉中作熔融金 屬泵閥和軸、核燃料提純和電鍍等設備管路、攪拌軸、葉輪泵。在鎢高比重合金（90W-7Ni-3Fe）中加入一定量的鉬，其強度和硬度都隨鉬含量而增高， 其延性則不斷降低，能大大地改善作為穿甲彈武器材料的性能。

碳化鉬（Mo2C）和碳化鎢混合，加入適當的鑭粉，燒結成硬質材料，經粗碎後加 入一定量的鎳，採用通常的硬質合金生產的方法，可得到粘結相分佈良好、緻密和細化的碳化鉬基硬質合金。金屬粘結相採用Co或Ni，也可生成複雜鉬—鎢碳化 物基硬質合金。碳化鉬也可添加到金屬陶瓷中，以改善其性能。鉬化工產品 鉬與鉻、鋁的鹽類可以共同沉積而生成鉬鉻紅顏料，鉬酸根離子與金屬表面的鐵離子形成難溶的Fe2(MoO4)3，從而使金屬表面鈍化，達到防銹的效果。其 顏色變化由淡澄色到淡紅色，有著較強的覆蓋能力，且顏色鮮豔，主要用於塗料、塑膠、橡膠、油墨、汽車和船舶塗料等領域。鋅、鈣和鈉的鉬酸鹽用作抗腐蝕顏 料，因其不含影響環境和人類健康的鉛而受到普遍的關注。

 二硫化鉬（MoS2）是一種良好的固體潤滑劑，在工業應用中起著十分重要的作用。 它具有非常低的摩擦係數（0.03—0.06），高的屈服強度（3.45MPa），能在高溫(350℃)和各種超低溫條件下使用，在真空條件下甚至可以在 1200℃正常工作，特別在高速運轉的機械部件中有著十分優良的潤滑作用。因而在汽輪機、燃汽輪機、金屬軋輥、齒輪齒、模具、汽車及宇航器械上廣泛使用。 經過幾十年的艱辛努力，我國鉬開採，冶煉和加工技術有了長足的進步，鉬的應用和推廣也取得了可喜的成績，但與世界先進水準相比我們仍然感到不足。我們應該 充分利用我國鉬資源優勢，從開採、冶煉到加工建立合理的生產佈局，大力開展鉬製品的深加工。建立一支技術素養較高的生產和科研隊伍，大力推廣新裝備、新技 術的應用，加強鉬的科研和新產品開發，特別要加強鉬的應用研究，擴大市場容量，要集中科研院所和生產企業的技術力量，成立專門機構，迅速地把科研成果轉變 成生產力，指導市場消費，擴大外貿出口，使我國成為一個名符其實的鉬生產大國，消費大國和出口大國。 

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