タングステン特性と多様な用途

(1) タングステンの特性：

タングステンの融点は3410℃、沸点は約5900℃。その熱伝導率は10-100℃で174w/m・Kであり、高温での蒸発速度が遅く、熱膨張係数が非常に小さい。

膨張係数は4.5×10である。^-6-K^-1 0-100℃の間。

タングステンの電気抵抗率は銅の約3倍で、その値は10%である。^-8 Ω/m（20℃）。

タングステンは高硬度、高密度（密度19.25g/cm）が特徴である。³)、良好な高温強度、優れた電子放出特性を持っている。

タングステンの機械的特性は、主に加工状態と熱処理工程に依存する。タングステンは、冷たい状態で加圧下で処理することはできません。

鍛造、圧延、延伸は熱間状態で行わなければならない。

タングステンは可塑性に優れており、1kgのタングステン棒を直径わずか1% mm、長さ約400kmの細いワイヤーに引き抜くことができる。

この細線は、3000℃の高温環境下でもある程度の強度を保ち、発光効率が高く、寿命が長いため、各種ランプのフィラメントを製造するための優れた材料となっている。

タングステン線は、白熱電球、ヨウ素タングステンランプ、さらには世界中の最新の電球やチューブの製造に使用されています。

室温では、タングステンは空気中で安定である。400～500℃で酸化が始まり、青黒いW03の緻密な表面保護膜を形成する。

タングステンは、常温では酸、アルカリ、水には腐食されにくいが、フッ酸と水との混合溶液には溶ける。

(2) タングステンの主な用途：

世界中で採掘されるタングステンのうち80%は高級鋼の製錬に、15%は硬鋼の製造に、残りの5%はその他の目的に使用される。

タングステンは、銃器、ロケットノズル、金属の製造に使用できる。 切削工具万能の金属である。

1.鉄鋼におけるタングステンの重要な役割

タングステンは鋼の重要な合金元素で、強度、硬度、耐摩耗性を向上させる。

タングステン鋼の主な種類は、高速度工具鋼、熱間加工ダイス鋼、シリーズツールとダイス鋼、軍事兵器、タービン鋼、磁性鋼などです。

製工具 タングステン鋼 は通常の鋼鉄製の数倍から数十倍の強度を持つ。

タングステン鋼を銃身やシリンダーに使用すると、連射による摩擦で銃身が加熱されても、良好な弾性と機械的強度を維持することができます。

金属切断機では、タングステン 鋼材切断 工具は1000℃の高温でも硬度を保つ。

タングステン・クロム・コバルトの溶射または溶接 合金鋼 3%-15%のタングステンを普通のスチール部品の表面に塗ることは、硬い「鎧」を与えるようなものです。

高温・高圧に耐え、腐食に強く、摩耗を抑え、寿命は数倍長くなる。

タングステン鋼の優れた特性と幅広い用途のため、世界中で生産されるタングステンのうち90%が製造に使用されています。

広く使用されている高速度鋼は、9%-24%のタングステン、3.8%-4.6%のクロム、1%-5%のバナジウム、4%-7%のコバルト、0.7%-1.5%の炭素を含む。

高速度鋼の特徴は、大気中の高い焼戻し温度（700～800℃）で自己焼入れできるため、600～650℃まで高い硬度と耐摩耗性を維持できることである。

合金工具鋼のタングステン鋼は0.8%-1.2%タングステンを含み、クロムタングステン-ケイ素鋼は2%-2.7%タングステンを含み、クロムタングステン鋼は2%-9%タングステンを含み、クロムタングステン-マンガン鋼は0.5%-1.6%タングステンを含む。

タングステン鋼は、ドリルビット、フライスカッター、伸線ダイス、オス・メス金型、ガス支持工具など、さまざまな工具に使用される。

タングステン磁性鋼は、タングステン5.2%～6.2%、炭素0.68%～0.78%、クロム0.3%～0.5%を含む永久磁石鋼です。

タングステン・コバルト磁石鋼は、11.5%-14.5%のタングステン、5.5%-6.5%のモリブデン、11.5%-12.5%のコバルトを含む硬質磁性材料である。

高い磁化強度と保磁力を持つ。

2.タングステン合金の工業的応用：

タングステンは、高速度工具鋼、合金構造用鋼、ばね鋼、耐熱鋼、ステンレス鋼の主な合金元素である。

タングステンは、固溶体強化、析出強化、分散強化によって合金化し、高温強度と塑性を向上させることができる。

合金化によって、タングステンはさまざまな非鉄金属合金を形成し、現代の人類文明に大きな影響を与えている。

タングステンにレニウム（3%-26%）を添加すると、延性と再結晶温度を大幅に向上させることができる。

適切な高温処理後 アニール 処理により、タングステン-レニウム合金の中には、純タングステンやドープタングステンの1%-3%よりもはるかに高い5%までの伸びを達成できるものもあります。

0.4%-4.2%の酸化トリウム(ThO)を添加したタングステン-トリウム合金。₂)からタングステンは高い熱電子放出能力を持ち、電子管のホットカソードとして使用できる、 アルゴンアーク溶接 電極など

しかし、ThO2 の放射能は長い間解決されていない。中国で開発されたセリウム-タングステン(W-CeO2)合金や、La2O3やY2O3を分散媒としたランタン-タングステン合金やイットリウム-タングステン合金(酸化物含有量は一般に2.2%以下)は、アルゴンの高温電極として広く使用されている。 アーク溶接プラズマ溶接・切断、非自己消費型アーク炉など、W-ThO₂ 合金である。

タングステン-銅合金およびタングステン-銀合金は、互いに反応せず、新しい相を形成しない元素からなる粉末冶金複合材料の一種である。

タングステン-銀およびタングステン-銅合金は、実際には合金ではないため、擬似合金とみなされる。

一般に浸透銀タングステンとして知られるタングステン-銀合金は、20%-70%銅または銀を含み、銅と銀の優れた電気および熱伝導特性とタングステンの高融点と耐食性特性を有する。

主にロケットノズル、電気接点、半導体支持部品に使用されている。

北極星A-3ミサイルのノズルは、10%-15%銀を浸透させたタングステン製で、数百キロのアポロ宇宙船に使われているロケットノズルもタングステン製である。

タングステン-モリブデン合金は、純粋なタングステンよりも高い電気抵抗率と優れた靭性を持ち、電子チューブのフィラメントやガラスシールのリード線として使用されてきました。

合金元素としてのタングステンは、超合金のような非鉄金属合金でも言及されている。1940年代、航空用ターボジェットエンジンの高温材料要求に応えるため、轟く砲火の中で超合金が誕生した。

超合金は、ニッケル基、コバルト基、鉄基の3種類の特殊構造合金で構成されている。

高温（500～1050℃）でも極めて高い強度、耐クリープ性、耐酸化性、耐食性を維持できる。

加えて、数年の長期耐用年数の間、破壊が起こらないこと、つまり高サイクル疲労と低サイクル耐疲労の特性を持つことができる。このような性能は、人命に関わる航空宇宙産業にとって極めて重要である。

タングステンは、鋼の強度、硬度、耐食性を向上させることができ、鉄鋼業界における重要な合金元素である。

60%〜90%のタングステンを含む硬質合金（タングステンカーバイド）は、硬度、耐摩耗性、耐食性、耐熱性が高く、ドリルビット、切削工具、耐高温部品の製造に使用されています。

60%〜90%のタングステン含有量を有するタングステン-銅（またはタングステン-銀）合金は、優れた接点材料であり、電気スイッチ、サーキットブレーカ、および スポット溶接 電極。

タングステン-ニッケル-銅合金は、α線とγ線の遮蔽スクリーンとして使用することができます。ロケットエンジンでは、タングステン製の非冷却ノズルは3127℃の高温、高圧、熱応力に耐えることができます。

照明や電子産業における発光材料やX線陰極ターゲットとして使用できる。

また、高温抵抗炉の発熱体としても使用できます。タングステンとタングステン-レニウム（26%）合金で構成された熱電対は、室温から2835℃までの温度を測定することができます。

二セレン化タングステンは、-217℃〜350℃の潤滑温度範囲で、シニア潤滑軸受の潤滑剤として使用することができます。タングステン化合物顔料は、明るい光沢と耐久性を持っています。

タングステンを主成分とする特殊合金には次のようなものがある：

• ガスタービンブレード、ロケットノズル、ミサイル、原子炉部品に使用される耐火合金；
• 重徹甲弾、ナビゲーション・ジャイロ・ローター、バランスウェイト、自動時計ブレーキに使用される高密度合金；
• X線やY線の遮蔽スクリーン、放射性物質の容器などに使用されるニッケル銅合金；
• 銅、タングステン-銀およびその他の合金は、高電圧および高周波の電気接点材料である；
• タングステン・レニウム合金でできた熱電対は、室温から2835℃までの温度を測定できる。

タングステンをベースとした高密度タングステン合金の製造は、タングステンの重要な応用分野となっている。

液相焼結技術により、タングステン粉末にニッケル、鉄、銅、その他少量の元素を同時に添加することで、高密度のタングステン合金を製造することができる。

組成に応じて、高密度タングステン合金は、2つの合金系に分けることができます：タングステン-ニッケル-鉄とタングステン-ニッケル-銅。

密度は17～18.6g/cmに達する。³ 液相焼結液相焼結とは、混合粉末を加圧成形する際に、焼結温度で一定量の液相が存在する焼結プロセスを指す。

その利点は、液相が固相粒子を濡らし、少量の固形物を溶解することで、緻密化と粒成長プロセスを大幅に加速し、極めて高い相対密度を達成することである。

例えば、液相焼結で一般的に使用されるニッケル鉄粉の場合、焼結中にニッケル鉄粉が溶融する。固体のタングステン（体積比95%）の液相ニッケル鉄への溶解度は極めて小さいが、固体のタングステンは液相ニッケル鉄に溶解しやすい。

液体ニッケル鉄がタングステン粒子を濡らし、タングステン粉末の一部を溶かすと、タングステン粒子の形状が変化し、液体が流れ込むと内部の気孔が直ちに消失する。

この工程は続き、タングステン粒子は、ほぼ100%の密度で最適な微細構造を持つ最終製品ができるまで、粗大化と成長を続ける。

液相焼結によって作られた高密度タングステン合金は、純粋なタングステンよりも高い密度だけでなく、より良い耐衝撃性能を持っていません。その主な用途は、高浸透軍の徹甲弾を製造することです。

耐熱耐摩耗合金、最も耐火性の金属として、タングステンは、多くの耐熱合金の成分の一つです。

例えば、3～15%のタングステン、25～35%のクロム、45～65%のコバルト、0.5～2.75%の炭素からなる合金は、主に航空エンジンのバルブ、ホットスタンピング金型の加工部品、タービンの羽根車、掘削装置、鋤の表面コーティングなどの強力な耐摩耗部品に使用されます。

航空宇宙やロケット技術、および機械部品、エンジン、一部の計器に高い熱強度を必要とするその他の分野では、タングステンや他の耐火性金属（タンタル、ニオブ、モリブデン、レニウム）との合金が耐熱材料として使用されています。

現在、使用されている超合金には35～40の有名ブランドがあり、その多くはタングステンを主成分の一つとしている（表参照）。

これらの合金に含まれるタングステンの含有量は、最小0.6%から最大15%まであり、大きな割合を占めるわけではないが、航空宇宙産業や火力発電所などの高温工学用途での需要は大きい。

世界全体では、超合金の3分の2以上が航空宇宙産業で使用され、7分の1が原子力発電所やガスタービン発電所で、さらに7分の1が海運業や運輸業で使用されていると推定されている。

3.硬質合金におけるタングステンの用途

炭化タングステンを主成分とする硬質合金は、高い硬度、耐摩耗性、耐火性を有する。

これらの合金は、85%～95%の炭化タングステンと5%～14%のコバルトを含み、結合剤金属として機能し、合金に必要な強度を与える。

主に鉄鋼の加工用合金に使用され、次のようなものも含まれる。 チタンタンタル、ニオブの炭化物。

これらの合金はすべて粉末冶金法で製造されている。1000～1100℃に加熱しても、高い硬度と耐摩耗性を維持します。

のカッティング・スピードは 硬合金 切削工具の切削速度は、最高の工具鋼切削工具の切削速度を遥かに上回る。硬質合金は主に切削工具、採掘工具、伸線ダイスなどに使用される。

超硬合金は、1000℃以上の高温でも硬度を保つことができ、切削や研削に理想的な工具です。

タングステン粉（またはW03）はカーボンブラックと混合され、水素または真空中で一定の温度で浸炭され、炭化タングステン（WC）が生成される。

WCはその後、金属結合剤であるコバルトと特定の割合で混合される。

粉末化、成形、焼結などの工程を経て、切削工具、金型、ローラー、衝撃岩などの硬質合金製品になる。 ボーリング ビットが生まれる。

現在使用されている炭化タングステン基硬質合金は、炭化タングステン-コバルト、炭化タングステン-炭化チタン-コバルト、炭化タングステン-炭化チタン-炭化タンタル（ニオブ）-コバルト、鋼結合硬質合金の4つに大別される。

世界で毎年消費される約5万トンのタングステンのうち、炭化タングステンベースの硬質合金は約63%を占める。

最近の報告によると、世界の硬質合金の総生産量は年間約33,000トンで、タングステンの総供給量の50%から55%を消費している。

4.電子産業におけるタングステン合金の応用

タングステンとその合金は、電子機器や電灯の光源産業で広く使用されている。

抗サグ性能を持つタングステンフィラメントは、様々な照明電球や電子管フィラメントの製造に使用されています。

レニウム添加タングステンフィラメントを利用した熱電対は、温度測定範囲が広く（0～2500℃）、温度と熱電ポテンシャルの線形関係が良好で、温度応答が速く（3秒）、比較的安価であるため、水素雰囲気中の測定に最適な熱電対である。

タングステンの機械的完全性を損なうことなく融点が高いという利点を生かし、走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡の電子源など、電子機器用の一種の熱イオン放出源となる。

X線管のフィラメントとしても使われる。

X線管では、タングステンフィラメントから発生した電子が加速されてタングステンやタングステン-レニウム合金の陽極に衝突し、陽極からX線が放出される。

X線を発生させるためには、タングステンフィラメントから発生する電子ビームのエネルギーが非常に高くなければならない。

そのため、ほとんどのX線管には回転陽極が使われている。大型のタングステンフィラメントは、真空炉の発熱体としても使用されています。

エレクトロニクス産業、特に集積回路の製造において、化学気相成長法（CVD）を用いて基板上に膜を形成する技術は、粉末冶金技術を用いたタングステンのバルク材料（ブロック材料）の製造とは全く異なるプロセスである。

CVD蒸着プロセスで使用される最も一般的なタングステン源は、六フッ化タングステン（WF6）である。

WF6は常温では液体であるが、被塗物上に水素ガスを流すと、その極めて高い蒸気圧によりガスと結合し、300℃付近でWF6+3H2→W+6HFの反応により被塗物表面に選択的に析出する。

集積回路上に蒸着によって形成されたタングステン・ビアは、小さな金属プラグとして回路基板上の別の水平線に接続することができる。

この小さなプラグの直径は0.4ミリメートルで、長さ対直径比は2.5であり、将来的には0.1ミリメートルまで小さくすることができ、長さ対直径比は5となる。

その優れた導電性と周囲の材料との反応のなさから、CVD法は、タングステンを必要としない溝を埋め、表面を浄化する唯一の方法である。

タングステンは、電気真空照明に使用される材料であり、タングステンワイヤー、タングステンテープ、および電子管、ラジオエレクトロニクス、X線技術の製造のための様々な鍛造部品の形で利用可能です。

タングステンは、白色織物フィラメントやスパイラルフィラメントの製造に最適な素材です。その高い動作温度（2200〜2500℃）は、その低い蒸発率は長いフィラメントの寿命を確保しながら、高い発光効率を保証します。

タングステン線は、電子発振管の直接加熱カソードとグリッド電極、高電圧整流器のカソード、様々な電子機器の補助カソードヒーターを作るために使用されます。

タングステンはまた、X線管やガス放電管の陽極や陰極、無線機器の接点、原子状水素溶接銃の電極としても使用される。

タングステンワイヤーとタングステンロッドは、高温炉（3000℃まで）のヒーター要素として使用されます。タングステンヒーターは、水素雰囲気、不活性雰囲気、または真空中で動作することができます。

タングステンのその他の用途としては、その化合物が挙げられ、石油化学産業では触媒として、繊維産業やプラスチック産業では難燃剤、媒染剤、顔料、染料、蛍光材料、装飾塗料、固体潤滑剤として使用される。

タングステン酸ナトリウムは、ある種の塗料や顔料の製造に使用され、繊維産業では、硫酸アンモニウムやリン酸アンモニウムと混合することにより、織物の加重や耐火・防水織物の製造に使用される。

また、金属タングステン、タングステン酸、タングステン酸塩の製造、染料、顔料、インク、電気めっき、触媒としても使用される。タングステン酸は繊維の媒染剤であり、化学工業では高オクタン価ガソリンを製造するための触媒である。

二硫化タングステンは固体潤滑剤として、また合成ガソリンの製造など有機合成の触媒として使用される。

粉末冶金で製造されるタングステン-銅（10%-40%銅）およびタングステン-銀合金は、良好な電気伝導性、熱伝導性、耐摩耗性により、優れた接点材料です。

スイッチ接点、サーキット・ブレーカー、スポット溶接電極などの稼動部品の製造に一般的に使用されている。

90%～95%のタングステン、1%～6%のニッケル、1%～4%の銅を含む高密度合金や、銅の代わりに鉄を使用した合金（～5%）は、ジャイロ・ローター、航空機のバランス・ウエイト、コントロール・サーフェス、放射線シールド、材料バスケットなどに使用されている。

要約すると、タングステンは、合金元素、タングステンカーバイドとして、またはその金属または化合物の形で使用されているかどうかは、鉄鋼、機械、鉱業、石油、ロケット、航空宇宙、エレクトロニクス産業など、国民経済と先端技術の様々な分野で不可欠な重要な材料である。

(3) 中国におけるタングステン鉱山の分布

中国は世界最大のタングステン埋蔵量を誇る。

江西省の盤石山、西華山、大自山にあるタングステン鉱山は、世界最大のタングステン産地である。

湖南省、広西チワン族自治区、広東省などのタングステン鉱山も埋蔵量が豊富である。