텅스텐: 특성 및 다양한 응용 분야

(1) 텅스텐의 특성:

텅스텐의 녹는점은 3410°C, 끓는점은 약 5900°C입니다. 열전도율은 10~100°C에서 174w/m-K이며, 열팽창 계수가 매우 낮아 고온에서 증발 속도가 느립니다.

확장 계수는 4.5×10입니다.^-6-K^-1 0-100°C 사이입니다.

텅스텐의 전기 저항은 10으로 구리보다 약 3배 더 높습니다.^-8 옴/m, 20°C 기준.

텅스텐은 높은 경도, 고밀도(밀도 19.25g/cm)가 특징입니다.³), 우수한 고온 강도, 우수한 전자 방출 특성을 가지고 있습니다.

텅스텐의 기계적 특성은 주로 가공 상태와 열처리 공정에 따라 달라집니다. 텅스텐은 차가운 상태에서는 압력을 받아 가공할 수 없습니다.

단조, 압연 및 드로잉은 뜨거운 상태에서 수행해야 합니다.

텅스텐은 가소성이 좋아서 1kg의 텅스텐 막대를 직경 1% mm, 길이 약 400km의 얇은 와이어로 뽑아낼 수 있습니다.

이 가는 와이어는 3000°C의 고온 환경에서도 어느 정도 강도를 유지하고 발광 효율이 높으며 수명이 길어 다양한 램프 필라멘트 제조에 탁월한 소재입니다.

텅스텐 와이어는 백열등, 요오드 텅스텐 램프, 심지어 전 세계의 최신 전구와 튜브를 제조하는 데 사용됩니다.

실온에서 텅스텐은 공기 중에서 안정적입니다. 400-500°C에서 산화를 시작하여 청흑색 W03의 고밀도 표면 보호막을 형성합니다.

텅스텐은 상온에서 산, 알칼리, 아쿠아 레지아에 쉽게 부식되지 않지만 불산과 아쿠아 레지아의 혼합 용액에는 용해됩니다.

(2) 텅스텐의 주요 용도:

전 세계에서 채굴되는 텅스텐 중 80%는 고품질 강철을 제련하는 데 사용되고 15%는 경강을 생산하는 데 사용되며 나머지 5%는 다른 용도로 사용됩니다.

텅스텐은 총기, 로켓 노즐 및 금속 제조에 사용할 수 있습니다. 절단 도구을 함유하고 있어 다용도로 사용할 수 있는 금속입니다.

1. 강철에서 텅스텐의 중요한 역할

텅스텐은 강철의 강도, 경도 및 내마모성을 향상시키는 중요한 합금 원소입니다.

텅스텐 강의 주요 유형은 고속 공구강, 열간 가공 다이강, 시리즈 공구 및 다이강, 군용 무기, 터빈 강, 자성 강 등입니다.

다음으로 구성된 도구 텅스텐 스틸 은 일반 강철보다 몇 배, 심지어 수십 배 더 강합니다.

총신이나 실린더를 만드는 데 텅스텐강을 사용하면 연속 발사로 인한 마찰로 총신이 가열되더라도 우수한 탄성과 기계적 강도를 유지할 수 있습니다.

금속 절단기, 텅스텐 스틸 커팅 도구는 1000°C의 높은 온도에서도 경도를 유지합니다.

텅스텐-크롬-코발트 스프레이 또는 용접 합금강 일반 강철 부품 표면에 3%-15% 텅스텐을 입히는 것은 단단한 '갑옷'을 입히는 것과 같습니다.

고온과 고압을 견디고 부식에 강하며 마모를 줄이고 수명이 몇 배 더 길어집니다.

텅스텐 강철의 우수한 특성과 광범위한 응용 분야로 인해 전 세계에서 생산되는 텅스텐 중 90%가 제조에 사용됩니다.

널리 사용되는 고속강에는 9%-24% 텅스텐, 3.8%-4.6% 크롬, 1%-5% 바나듐, 4%-7% 코발트, 0.7%-1.5% 탄소가 함유되어 있습니다.

고속강의 특징은 공기 중 고온(700~800°C)에서 자체 담금질이 가능해 600~650°C까지 높은 경도와 내마모성을 유지한다는 점입니다.

합금 공구강의 텅스텐강에는 0.8%-1.2% 텅스텐, 크롬-텅스텐-실리콘강에는 2%-2.7% 텅스텐, 크롬-텅스텐강에는 2%-9% 텅스텐, 크롬-텅스텐-망간강에는 0.5%-1.6% 텅스텐이 함유되어 있습니다.

텅스텐 강철은 드릴 비트, 밀링 커터, 와이어 드로잉 다이, 수형 및 암형, 가스 지원 도구 및 기타 부품과 같은 다양한 공구를 만드는 데 사용됩니다.

텅스텐 자성강은 5.2%-6.2% 텅스텐, 0.68%-0.78% 탄소, 0.3%-0.5% 크롬을 포함하는 영구 자석강입니다.

텅스텐-코발트 자성강은 11.5%-14.5% 텅스텐, 5.5%-6.5% 몰리브덴, 11.5%-12.5% 코발트가 포함된 경질 자성 소재입니다.

자화 강도와 강제력이 높습니다.

2. 텅스텐 합금의 산업 응용:

텅스텐은 고속 공구강, 합금 구조강, 스프링강, 내열강 및 스테인리스강의 주요 합금 원소입니다.

텅스텐은 고용체 강화, 침전 강화, 분산 강화로 합금화하여 고온 강도와 가소성을 향상시킬 수 있습니다.

텅스텐은 합금을 통해 현대 인류 문명에 큰 영향을 미치는 다양한 비철금속 합금을 형성했습니다.

텅스텐에 레늄(3%-26%)을 첨가하면 연성 및 재결정 온도를 크게 향상시킬 수 있습니다.

적절한 고온 처리 후 어닐링 처리하면 일부 텅스텐-레늄 합금은 순수 또는 도핑된 텅스텐의 1%-3%보다 훨씬 높은 최대 5%의 연신율을 달성할 수 있습니다.

텅스텐-토륨 합금은 0.4%-4.2% 토륨 산화물(ThO₂)에서 텅스텐은 열 전자 방출 능력이 높아 전자 튜브의 고온 음극으로 사용할 수 있습니다, 아르곤 아크 용접 전극 등

그러나 ThO2의 방사능 문제는 오랫동안 해결되지 않았습니다. 중국에서 개발된 세륨-텅스텐(W-CeO2) 합금과 La2O3 및 Y2O3를 분산제로 사용하여 만든 란탄 텅스텐 및 이트륨 텅스텐 합금(산화물 함량이 일반적으로 2.2% 미만)이 아르곤의 고온 전극으로 널리 사용되어 왔습니다. 아크 용접, 플라즈마 용접 및 절단, 비자가 소모성 아크 용광로 등, W-ThO를 대체합니다.₂ 합금.

텅스텐-구리 및 텅스텐-은 합금은 서로 반응하지 않고 새로운 상을 형성하지 않는 원소로 구성된 분말 야금 복합 재료의 일종입니다.

텅스텐-은 및 텅스텐-구리 합금은 실제로는 합금이 아니므로 의사 합금으로 간주됩니다.

일반적으로 침투은 텅스텐으로 알려진 텅스텐-은 합금은 20%-70% 구리 또는 은을 함유하고 있으며 구리 및 은의 우수한 전기 및 열 전도성 특성과 텅스텐의 높은 융점 및 내식성을 가지고 있습니다.

주로 로켓 노즐, 전기 접점, 반도체 지지 부품에 사용됩니다.

노스 스타 A-3 미사일의 노즐은 10%-15% 은이 침투된 텅스텐으로 만들어졌으며, 수백 킬로그램의 아폴로 우주선에 사용된 로켓 노즐도 텅스텐으로 만들어졌습니다.

텅스텐-몰리브덴 합금은 순수 텅스텐보다 전기 저항이 높고 인성이 우수하여 전자 튜브 및 유리 밀봉 리드아웃 와이어의 필라멘트로 사용되어 왔습니다.

합금 원소인 텅스텐은 초합금과 같은 비철 금속 합금에서도 언급됩니다. 1940년대, 항공 터보제트 엔진의 고온 재료 요구 사항을 충족하기 위해 초합금은 포성이 울려 퍼지는 가운데 탄생했습니다.

초합금은 니켈 기반, 코발트 기반, 철 기반 등 세 가지 유형의 특수 구조 합금으로 구성됩니다.

고온(500~1050°C)에서도 매우 높은 강도, 크리프 저항성, 내산화성, 내식성을 유지할 수 있습니다.

또한 수년간의 장기 사용 수명 동안 파손이 발생하지 않는, 즉 고주기 피로와 저주기 피로 저항의 특성을 가지고 있습니다. 이러한 성능은 사람의 생명과 관련된 항공우주 산업에서 매우 중요합니다.

텅스텐은 철강 산업에서 중요한 합금 원소로, 강철의 강도, 경도 및 내식성을 향상시킬 수 있습니다.

60%-90% 텅스텐을 함유한 경질 합금(텅스텐 카바이드)은 경도, 내마모성, 내식성, 내열성이 우수하며 드릴 비트, 절삭 공구 및 고온 내성 부품을 제조하는 데 사용됩니다.

텅스텐 함량이 60%-90%인 텅스텐-구리(또는 텅스텐-은) 합금은 우수한 접촉 재료이며 전기 스위치, 회로 차단기, 전기 스위치로 사용할 수 있습니다. 스폿 용접 전극.

텅스텐-니켈-구리 합금은 α 및 γ 광선에 대한 차폐 스크린으로 사용할 수 있습니다. 로켓 엔진에서 텅스텐으로 만든 비냉각 노즐은 3127°C의 고온과 고압 및 열 스트레스를 견딜 수 있습니다.

조명 및 전자 산업에서 발광 물질 및 X-선 음극 타겟으로 사용할 수 있습니다.

고온 저항로 발열체로도 사용할 수 있습니다. 텅스텐과 텅스텐-레늄(26%) 합금으로 구성된 열전대는 실온에서 2835°C까지 온도를 측정할 수 있습니다.

텅스텐 디셀레나이드는 -217°C ~ 350°C의 윤활 온도 범위에서 고급 윤활 베어링의 윤활제로 사용할 수 있습니다. 텅스텐 화합물 안료는 밝은 광택과 내구성을 가지고 있습니다.

텅스텐을 주성분으로 하는 특수 합금에는 다음이 포함됩니다:

• 가스터빈 블레이드, 로켓 노즐, 미사일 및 원자로 부품에 사용되는 내화 합금;
• 무거운 갑옷을 관통하는 발사체, 내비게이션 자이로 로터, 밸런스 추, 자동 시계 브레이크에 사용되는 고밀도 합금입니다;
• X-선 및 Y선 차폐 스크린, 방사성 물질용 용기 등에 사용되는 니켈-구리 합금;
• 구리, 텅스텐-은 및 기타 합금은 고전압 및 고주파 전기 접촉 재료입니다;
• 텅스텐-레늄 합금으로 구성된 열전대는 실온에서 2835°C까지 온도를 측정할 수 있습니다.

텅스텐을 기반으로 한 고밀도 텅스텐 합금의 제조는 텅스텐의 중요한 응용 분야가되었습니다.

액상 소결 기술을 사용하여 텅스텐 분말에 니켈, 철, 구리 및 소량의 다른 원소를 동시에 첨가하면 고밀도 텅스텐 합금을 생산할 수 있습니다.

구성에 따라 고밀도 텅스텐 합금은 텅스텐-니켈-철과 텅스텐-니켈-구리의 두 가지 합금 시스템으로 나눌 수 있습니다.

밀도는 17-18.6g/cm에 달할 수 있습니다.³ 액상 소결을 통해 액상 소결은 혼합 분말을 가압하여 형성할 때 소결 온도에서 일정량의 액상이 존재하는 소결 공정을 말합니다.

액체상이 고체상 입자를 적시고 소량의 고체 물질을 용해하여 치밀화 및 입자 성장 과정을 크게 가속화하고 매우 높은 상대 밀도를 달성할 수 있다는 장점이 있습니다.

예를 들어, 액상 소결에 일반적으로 사용되는 니켈-철 분말의 경우 소결 중에 니켈-철 분말이 녹습니다. 액체 상태 니켈-철에서 고체 텅스텐(부피 기준 95%)의 용해도는 매우 낮지만 고체 텅스텐은 액체 상태 니켈-철에 용해되기 쉽습니다.

액체 니켈-철이 텅스텐 입자를 적시고 텅스텐 분말의 일부를 녹이면 텅스텐 입자의 모양이 바뀌고 액체가 유입되면 내부 기공이 즉시 사라집니다.

이 과정을 계속 진행하면 텅스텐 입자가 계속 거칠어지고 커져서 밀도가 거의 100%에 가깝고 최적의 미세 구조를 가진 최종 제품을 생산할 수 있습니다.

액상 소결로 만든 고밀도 텅스텐 합금은 순수 텅스텐보다 밀도가 높을 뿐만 아니라 내충격 성능도 우수합니다. 주요 응용 분야는 고관통성 군용 갑옷 관통 총알을 제조하는 것입니다.

내열성 및 내마모성 합금, 가장 내화성이 강한 금속인 텅스텐은 많은 내열성 합금의 구성 요소 중 하나입니다.

예를 들어 3-15% 텅스텐, 25-35% 크롬, 45-65% 코발트, 0.5-2.75% 탄소로 구성된 합금은 주로 항공 엔진의 밸브, 핫스탬핑 금형의 작업 부품, 터빈 임펠러, 굴착 장비, 쟁기 표면 코팅 등 내마모성이 강한 부품에 사용됩니다.

항공우주 및 로켓 기술뿐만 아니라 기계 부품, 엔진 및 일부 기기의 높은 열 강도가 필요한 기타 분야에서 텅스텐과 다른 내화 금속(탄탈륨, 니오븀, 몰리브덴, 레늄)과의 합금이 내열 재료로 사용됩니다.

현재 35~40개의 잘 알려진 초합금 브랜드가 사용되고 있으며, 그 중 상당수가 텅스텐을 주성분으로 하고 있습니다(표 참조).

이 합금의 텅스텐 함량은 최소 0.6%에서 최대 15%까지 다양하며, 큰 비중을 차지하지는 않지만 항공 우주 산업 및 화력발전소와 같은 고온 엔지니어링 응용 분야에서 수요가 상당합니다.

전 세계적으로 초합금의 3분의 2 이상이 항공우주 산업에 사용되고 있으며, 7분의 1은 원자력 및 가스터빈 발전소에, 나머지 7분의 1은 해상 운영 및 운송에 사용되는 것으로 추정됩니다.

3. 경질 합금에서 텅스텐의 응용

텅스텐 카바이드 기반 경질 합금은 높은 경도, 내마모성 및 내화성을 가지고 있습니다.

이 합금에는 85%~95% 텅스텐 카바이드와 5%~14% 코발트가 포함되어 있으며, 이는 결합제 금속으로 작용하여 합금에 필요한 강도를 제공합니다.

주로 강철 가공용 특정 합금에 사용되며 다음을 포함합니다. 티타늄탄탈륨 및 탄화 니오븀을 함유하고 있습니다.

이 모든 합금은 분말 야금 공정을 사용하여 제조됩니다. 1000~1100℃로 가열해도 여전히 높은 경도와 내마모성을 유지합니다.

절단 속도는 경질 합금 절삭 공구는 최고의 공구강 절삭 공구의 절삭 속도를 훨씬 능가합니다. 경질 합금은 주로 절삭 공구, 채굴 공구, 와이어 드로잉 다이 등에 사용됩니다.

텅스텐 카바이드는 1000℃ 이상의 온도에서도 우수한 경도를 유지할 수 있어 절삭 및 연삭에 이상적인 공구입니다.

텅스텐 분말(또는 W03)을 카본 블랙과 혼합한 다음 수소 또는 진공 상태에서 특정 온도에서 침탄하여 텅스텐 카바이드(WC)를 생산합니다.

그런 다음 WC를 금속 결합제인 코발트와 특정 비율로 혼합합니다.

분말화, 성형, 소결 및 기타 공정 후 절삭 공구, 금형, 롤러 및 임팩트 락과 같은 경질 합금 제품 드릴링 비트가 생성됩니다.

현재 사용되는 텅스텐 카바이드 기반 경질 합금은 크게 텅스텐 카바이드-코발트, 텅스텐 카바이드-티타늄 카바이드-코발트, 텅스텐 카바이드-티타늄 카바이드-탄탈(니오브) 카바이드-코발트, 강철 결합 경질 합금의 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

매년 전 세계에서 소비되는 약 50,000톤의 텅스텐 중 텅스텐 카바이드 기반 경질 합금이 약 63%를 차지합니다.

최근 보고서에 따르면 전 세계 경질 합금의 총 생산량은 연간 약 33,000톤으로, 전체 텅스텐 공급량의 50%~55%를 소비하고 있습니다.

4. 전자 산업에서 텅스텐 합금의 적용

텅스텐과 그 합금은 전자 및 전기 광원 산업에서 널리 사용됩니다.

처짐 방지 성능을 갖춘 텅스텐 필라멘트는 다양한 전구 및 전자 튜브 필라멘트를 제조하는 데 사용됩니다.

레늄이 첨가된 도핑 텅스텐 필라멘트는 넓은 온도 측정 범위(0~2500℃), 온도와 열전위 사이의 우수한 선형 관계, 빠른 온도 반응(3초), 상대적으로 저렴한 비용으로 수소 분위기에서 측정하는 데 이상적인 열전대를 만드는 데 활용됩니다.

기계적 무결성을 손상시키지 않으면서 텅스텐의 높은 융점을 활용하여 주사 전자 현미경 및 투과 전자 현미경용 전자 소스와 같은 전자 제품의 열 이온 방출 소스의 일종이 됩니다.

엑스레이 튜브의 필라멘트로도 사용됩니다.

X-선 튜브에서는 텅스텐 필라멘트에서 생성된 전자가 가속되어 텅스텐 및 텅스텐-레늄 합금 양극과 충돌하여 양극에서 X-선을 방출합니다.

텅스텐 필라멘트에서 생성되는 전자빔의 에너지는 X-선을 생성하기 위해 매우 높아야 하므로 전자빔이 닿는 표면의 스폿은 매우 뜨겁습니다.

따라서 회전 양극은 대부분의 X-선 튜브에 사용됩니다. 대형 텅스텐 필라멘트는 진공로에서 가열 요소로도 사용됩니다.

전자 산업, 특히 집적 회로 제조에서 화학 기상 증착(CVD)을 사용하여 기판에 필름을 형성하는 기술은 분말 야금 기술을 사용한 텅스텐 벌크 재료(블록 재료)의 생산과는 완전히 다른 공정입니다.

CVD 증착 공정에 사용되는 가장 일반적인 텅스텐 소스는 육불화텅스텐(WF6)입니다.

WF6는 상온에서는 액체이지만 코팅할 부품 위에 수소 기체와 함께 흐르면 증기압이 매우 높아 기체와 결합해 약 300°C에서 WF6+3H2→W+6HF의 반응을 통해 공작물 표면에 선택적으로 증착됩니다.

집적 회로에 증착하여 형성된 텅스텐 비아는 회로 기판의 다른 수평 와이어에 작은 금속 플러그로 연결할 수 있습니다.

이 소형 플러그의 직경은 0.4밀리미터로 길이 대 직경 비율은 2.5이며, 향후 0.1밀리미터로 줄여 길이 대 직경 비율 5를 달성할 수 있습니다.

전도성이 우수하고 주변 물질과의 반응이 없기 때문에 텅스텐이 필요하지 않은 채널을 채우고 표면을 정화하는 유일한 방법은 CVD 방식입니다.

전기 진공 조명에 사용되는 소재인 텅스텐은 텅스텐 와이어, 텅스텐 테이프 및 전자 튜브, 무선 전자 장치 및 X-선 기술 생산에 사용되는 다양한 단조 부품의 형태로 제공됩니다.

텅스텐은 백색 직조 필라멘트와 나선형 필라멘트를 만드는 데 가장 적합한 소재입니다. 높은 작동 온도(2200~2500°C)로 높은 발광 효율을 보장하고 증발률이 낮아 필라멘트 수명이 길어집니다.

텅스텐 와이어는 전자 발진관용 직접 가열 음극 및 그리드 전극, 고전압 정류기용 음극, 다양한 전자 기기의 보조 음극 히터를 만드는 데 사용됩니다.

텅스텐은 엑스레이 튜브와 가스 방전관의 양극과 음극, 무선 장비의 접점 및 원자 수소 용접 총의 전극으로도 사용됩니다.

텅스텐 와이어와 텅스텐 봉은 고온 용광로(최대 3000°C)의 히터 요소로 사용됩니다. 텅스텐 히터는 수소 분위기, 불활성 분위기 또는 진공 상태에서 작동할 수 있습니다.

텅스텐의 다른 응용 분야로는 석유화학 산업에서 촉매로, 섬유 및 플라스틱 산업에서 난연제, 매염제, 안료, 염료, 형광 물질, 장식용 페인트 및 고체 윤활제로 사용할 수 있는 텅스텐 화합물이 있습니다.

텅스텐산나트륨은 특정 유형의 페인트와 안료를 생산하는 데 사용되며, 섬유 산업에서는 황산암모늄 및 인산암모늄과 혼합하여 직물의 무게를 늘리고 내화 및 방수 직물을 제조하는 데 사용됩니다.

또한 금속 텅스텐, 텅스텐산, 텅스텐산염의 제조뿐만 아니라 염료, 안료, 잉크, 전기 도금 및 촉매제로도 사용됩니다. 텅스텐산은 섬유의 매염제이자 화학 산업에서 고옥탄가 휘발유를 생산하는 촉매제입니다.

이황화텅스텐은 합성 가솔린 생산과 같은 유기 합성에서 고체 윤활제 및 촉매로 사용됩니다.

분말 야금으로 제조된 텅스텐-구리(10%-40% 구리) 및 텅스텐-은 합금은 전기 전도성, 열 전도성 및 내마모성이 우수하여 우수한 접촉 소재입니다.

스위치 접점, 회로 차단기, 스폿 용접 전극과 같은 작업 부품 제조에 일반적으로 사용됩니다.

90%-95% 텅스텐, 1%-6% 니켈, 1%-4% 구리를 포함하는 고밀도 합금과 구리 대신 철을 사용하는 합금(~5%)은 자이로 로터, 항공기 및 제어 표면의 균형추, 방사선 차폐 및 재료 바구니를 만드는 데 사용됩니다.

요약하면, 텅스텐은 합금 원소, 텅스텐 카바이드 또는 금속 또는 화합물 형태로 사용되든, 철강, 기계, 광업, 석유, 로켓, 항공 우주 및 전자 산업을 포함한 국가 경제 및 첨단 기술의 다양한 분야에서 없어서는 안 될 중요한 소재입니다.

(3) 중국 텅스텐 광산의 분포

중국은 세계 최대의 텅스텐 총 매장량을 보유하고 있습니다.

장시성의 판구산, 시화산, 다지산에 있는 텅스텐 광산은 세계 최대 텅스텐 생산 지역입니다.

후난성, 광시성, 광둥성과 같은 지방의 텅스텐 광산에도 풍부한 매장량이 있습니다.