您無疑熟悉銅、金、鋅和鎳等“傳統”金屬，以及它們在各種制造過程中的用途和價值。您可能不太熟悉稱為難熔金屬的單獨分類金屬。術語“耐火材料”是指這組奇異金屬具有在極高溫度下保持強度和硬度的非凡能力。這種特性和其他幾個獨特的特性使難熔金屬對各種制造應用極為有利。

什么是難熔金屬？

難熔金屬組由五種主要元素組成：

• 鎢 (W)
• 鉬 (Mo)
• 鈮 (Nb)
• 鉭 (Ta)
• 錸 (Re)
• 鈦 (Ti)
• 其他幾種外來金屬

下面仔細看看每個的一些獨特的屬性和特征：

鎢

1781 年，瑞典化學家卡爾·威廉·舍勒 (Karl Wilhelm Scheele) 發現了鎢。鎢的字面意思是“重石頭”。在所有難熔金屬中含量最多的鎢在 3410°C (6170° F) 時也具有最高的熔點。這個熔點是鐵的兩倍，是鉛的十倍。鎢也是所有金屬中密度最高的金屬之一。

雖然鎢極耐高溫，但它在 1000° F 以上的溫度下會變得易揮發。因此，它必須被保護性氣氛覆蓋或包圍。這可以通過應用硅涂層或貴金屬包層來實現。除了出色的耐熱性外，鎢還可以在環境溫度下提供良好的抗大氣腐蝕保護。它還在室溫下提供對水和硫酸、硝酸和氫氟酸的抵抗力。鎢以其高導電性而聞名。

由于其優異的耐熱性，鎢通常用于焊接電極和制造過程，如加熱元件、托盤、輻射屏蔽和蒸發舟。它的強導電性能和耐磨性使鎢在制造電觸點時很有價值。

鉬

與鎢一樣，卡爾·威廉·舍勒在鉬的發現中也發揮了重要作用，鉬也發生在 18 世紀后期。然而，直到 19 世紀后期，該元素的 96% 純金屬版本才被開發出來并用于商業應用。鉬現在主要在各種制造過程中用作鋼的合金元素。

鉬與鎢相似，具有出色的導熱和導電能力，以及耐腐蝕和耐磨性。在耐腐蝕性方面，鉬對氫氟酸、碘和氯有效。在其非合金形式中，鉬具有出色的導熱性。除了其導熱能力外，這使得該元件在散熱器中具有價值。事實上，鉬的熱導率明顯超過鐵、鋼或鎳合金。

鉭

瑞典化學家的另一個發現是鉭，最初是由安德斯·古斯塔夫·埃克伯格在 1802 年發現的。這種元素極為稀有——它的豐度大約是黃金的 15 倍。鉭極難溶解，是人類已知的最耐腐蝕的材料之一。它還具有化學惰性，因此可用于制造實驗室設備。鉭有時也用作鉑的替代品。然而，它的主要用途是生產電子設備中的電容器，例如手機、電腦和視頻游戲系統。

與所有難熔金屬一樣，鉭具有高熔點（5468°F 和 3020°C），而且它也具有高反應性。由于其優異的耐腐蝕性，鉭經常用于制造蒸汽冷凝器、多管換熱器和破裂膜片。碳化鉭也可以添加到硬質合金中，以生產減少摩擦和抵抗機械沖擊的硬質切削工具。此外，當鉭與某些氣體結合時，釋放的氣體可用于制造電子管。

鈮

鈮通常與鉭一起發現，并包含許多相同的特性和特性。兩者的主要區別在于鉭的重量大約是前者的兩倍。第一個已知的分離鈮和鉭的工藝發生在 19 世紀中葉的歐洲。它最初的用途是作為與鋼的合金，直到今天仍然是它的主要應用。另一種常見的鈮應用是制造用于科學研究的磁體。

將鈮與鐵、鈷和鎳等其他金屬合金化可增強其固有的耐火性能，而不會增加重量。這使得鈮在航空航天工業產品的制造中極具價值，例如飛機上的火箭發動機和燃氣輪機。然而，鈮的抗氧化性很差，這意味著它必須在用于這些制造過程之前進行涂層處理。

鈮的另一個關鍵優勢是它的多功能性。它可以制造成各種強度和彈性。與其他難熔金屬相比，鈮還具有較低的密度和較低的熱中子截面。

錸

錸最初是在 1925 年發現的。它不是單獨發現的——錸礦石必須從其他礦石中提取，例如鉑、鉭鐵礦和輝鉬礦。就熔點而言，只有鎢和碳超過錸，而且它還具有極高的密度。

它也是唯一不形成碳化物的難熔金屬。其他獨特的錸特性如下：

• 它可以抵抗銀、鋅、錫和銅的侵蝕。
• 它可以溶解在熔融的鎳和鐵中。

錸對鹽水腐蝕不太敏感，并且對鹽酸具有出色的抵抗力。為了提高抗拉強度和延展性，它經常與其他金屬合金化。鉬錸合金焊縫是一個主要的例子。其他錸合金用于各種制造工藝，包括半導體、熱電偶、電觸點和熱離子轉換器。

鈦

雖然鈦不屬于五種主要難熔金屬之一，但它確實具有許多常見的難熔金屬特性，例如高熔點 (3035° F) 和出色的耐腐蝕性。鈦最初是在 18 世紀后期發現的，但直到 1950 年代中期才在制造業中得到廣泛應用。

鈦還以其卓越的——從制造角度來看極其有價值——重量輕和強度高的結合而聞名。輕巧、強度和耐熱和耐腐蝕性使鈦在各種航空航天、船舶和汽車制造應用中受益。

用難熔金屬和其他稀有金屬電鍍

電鍍是一種用于通過稱為電沉積的技術在稱為基底的底層金屬表面上提供保護涂層的工藝。在傳統的電鍍工藝中，金屬部件或物體被放入電解質水溶液中，其中包含提供涂層的金屬溶解離子。然后引入電流，為離子提供正電荷，而底物帶負電荷。這導致離子沉積在基板的表面上。

電鍍可用于多種用途。一個主要功能是使基材更能抵抗腐蝕的影響。它還可以使物體更導電并增強其耐熱性能。電鍍甚至可以使零件更具美感，例如將金、銀或其他貴金屬鍍在原本暗淡的金屬表面上。

難熔金屬電鍍與傳統電鍍工藝的不同之處在于它使用非水介質，通常是熔鹽。熔鹽電解能夠產生由難熔金屬組成的化合物。電鍍涂層可以包含純金屬或各種難熔金屬合金或化合物。

熔鹽電解涉及伴隨電子轉移的化學反應。該過程發生在電化學電池中，它允許電能作為更多的化學功能從化合物中提取難熔金屬。在電解過程中，電流從陽極通過電解質流向陰極。然后陰極材料被難熔金屬分開。

多年來，已經開發了其他特殊的金屬電鍍工藝。現在，我們將仔細研究用鈦、鎢和鉬電鍍難熔金屬的過程。

鍍鈦

與大多數難熔金屬一樣，用傳統的水浴鍍鈦是無法實現的。它也不能單獨電鍍。一種有效的鈦電鍍工藝涉及使用鈦和氮的合金來形成氮化鈦 (TiN)，與傳統的電鍍相反，它通過物理或化學氣相沉積來沉積。雖然 TiN 涂層非常薄，但它非常堅硬且非常耐磨。薄度還使得在電鍍過程中保持所需的公差變得容易。

除了極耐磨外，氮化鈦涂層在生物相容性方面也被評為非常好。醫療設備制造商經常使用 TiN 涂層來最大程度地減少滑動部件和組件的磨損，并保留手術器械上的鋒利邊緣。其他應用包括延長切削工具和機床的使用壽命。TiN 涂層具有迷人的金色，使其適用于注重美觀的應用。

鍍鎢

鎢也不能單獨鍍。然而，用鎢電鍍其他鐵族金屬，特別是鎳是可能的。鎳-鎢-磷合金可以通過化學鍍沉積。與電鍍不同，化學鍍不需要引入電流。相反，沉積是通過化學反應發生的。

雖然有許多化學鍍鎳合金可供選擇，但鎳-磷組合是最常見的工業用途。

鎳-磷-鎳合金在化學鍍中的應用相對較新，但它的早期結果很有希望。Ni-PW 化學沉積工藝需要創建由鎳、鎢鹽和各種穩定劑以及緩沖劑和絡合劑組成的鍍液。雖然磷會增加涂層的硬度，但即使是少量的鎢也可以顯著增強這種性能，以及它的耐腐蝕性。提高硬度最終會提高基材的耐磨性。

鍍鉬

鍍鉬 (Mo) 可以通過將其與其他金屬合金化來完成。特別是，鉻鉬合金可以保護基材免受磨損并提高其耐腐蝕性。鉬含量極低，通常在百分之一左右。然而，已經開發出脈沖電鍍工藝，可以有效地沉積鉬含量高達三倍的 Cr-Mo，同時仍能產生無裂紋的沉積物。在脈沖電鍍中，直流電流以短脈沖形式引入電鍍槽，而不是持續保持。

與常規直流電鍍相比，使用脈沖電鍍可獲得高達 900 KHM 的硬度值，后者增加了近 20%。此外，使用低脈沖頻率往往會增加沉積物中的鉬濃度。