74 钨⽩炽灯灯丝的元素
热力井
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
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
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
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、、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。
长春密刺
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
防止冷凝水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
•[1] Scheele, Carl Wilhelm (1781) “Tungstens bestånds-delar” (Tungsten’s constituents), Kungliga Vetenskaps Academiens Nya Handlingar (Royal Scientific Academy’s New Proceedings), 2 : 89–95 (in Swedish).
•[2] English translation on pp. 4–13 of: de Luyart, John Joseph and Fausto, with Charles Cullen, trans., A Chemical Analysis of Wolfram and Examination of a New Metal, Which Enters its Composition (London, England, G. Nicol, 1785).
•[3] Saunders, Nigel (2004). Tungsten and the Elements of Groups 3 to 7 (The Periodic Table). Chicago, Illinois: Heinemann Library. ISBN 978-1-4034-3518-7.
•[4] de Luyart, J.J. and F. (September 1783) “Análisis químico del volfram, y examen de un nuevo metal, que entra
•[4] de Luyart, J.J. and F. (September 1783) “Análisis químico del volfram, y examen de un nuevo metal, que entra en su composición” (Chemical analysis of wolframite, and examination of a new metal, which enters into its composition), Extractos de las Juntas Generales celebradas por la Real Sociedad Bascongada de los Amigos del País en la ciudad de Vitoria por setiembre de 1783, pp. 46–88.
•[5] de Luyart, John Joseph and Fausto, with Charles Cullen, trans., A Chemical Analysis of Wolfram and Examination of a New Metal, Which Enters its Composition (London, England, G. Nicol, 1785).
•[6] van der Krogt, Peter. “Wolframium Wolfram Tungsten”. Elementymology & Elements Multidict. Archived from the original on 2010-01-23. Retrieved 2010-03-11.
大功率白光led•[7] Edison Electric Light Co. vs. United States Electric Lighting Co., Federal Reporter, F1, Vol. 47, 1891, p. 457.•[8] “Burnie Lee Benbow”. frognet. Archived from the original on 12 June 2012. Retrieved 19 February 2017.•[9] “Trial Production of the World’s First Double-Coil Bulb”. Toshiba. TOSHIBA CORP. Archived from the original on 19 February 2017. Retrieved 19 February 2017.
•[10] 严增濯. 卤钨灯技术进展[J]. 中国照明电器,1994,(01):1-9.
•[11] Daintith, John (2005). Facts on File Dictionary of Chemistry (4th ed.). New York: Checkmark Books. ISBN 978-0-8160-5649-1.
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•[12] “Tungsten Applications – Steel”. Azom. 2000–2008. Archived from the original on 2008-08-15. Retrieved 2008-06-18.
•[13] Ramakrishnan, P. (2007). “Powder metallurgy for Aerospace Applications”. Powder metallurgy: 医用拉链
processing for automotive, electrical/electronic and engineering industry. New Age International. p. 38. ISBN 978-81-224-2030-2.•[14] Delmon, Bernard & Froment, Gilbert F. (1999). Hydrotreatment and hydrocracking of oil fractions: proceedings of the 2nd international symposium, 7th European workshop, Antwerpen, Belgium, November 14–17, 1999. Elsevier. pp. 351–. ISBN 978-0-444-50214-8. Retrieved 18 December2011.
•[15] Spivey, James J. (2002). Catalysis. Royal Society of Chemistry. pp. 239–. ISBN 978-0-85404-224-1. Retrieved 18 December 2011.
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