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合金

由金属与另一种(或几种)金属或非金属所组成的具有金属通性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。根据组成元素的数目,可分为二元合金、三元合金和多元合金。中国是世界上最早研究和生产合金的国家之一,在商朝(距今3000多年前)青铜(铜锡合金)工艺就已非常发达;公元前6世纪左右(春秋晚期)已锻打(还进行过热处理)出锋利的剑(钢制品)。

按含碳量不同,铁碳合金分为钢与生铁两大类,钢是含碳量为0.03%~2%硅铁合金的铁碳合金硅铁合金。碳钢是最常用的普通钢,冶炼方便、加工容易、价格低廉,而且在多数情况下能满足使用要求,所以应用十分普遍。按含碳量不同,碳钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。随含碳量升高,碳钢的硬度增加、韧性下降。合金钢又叫特种钢,在碳钢的基础上加入一种或多种合金元素,使钢的组织结构和性能发生变化,从而具有一些特殊性能,如高硬度、高耐磨性、高韧性、耐腐蚀性,等等。经常加入钢中的合金元素有Si、W、Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ti等。

类型

1、混合物合金(共熔混合物),当液态合金凝固时,构成合金的各组分分别结晶而成的合金,如焊锡、铋镉合金等;
2、固熔体合金,当液态合金凝固时形成固溶体的合金,如金银合金等;
3、金属互化物合金,各组分相互形成化合物的合金,如铜、锌组成的黄铜(β-黄铜、γ-黄铜和ε-黄铜)等。
合金的许多性能优于纯金属,故在应用材料中大多使用合金(参看铁合金、不锈钢)。

特性

钢铁是铁与C、Si、Mn、P、S以及少量的其他元素所组成的合金。其中除Fe外,C的含量对钢铁的机械性能起着主要作用,故统称为铁碳合金。它是工程技术中最重要、用量最大的金属材料。


稀土金属储量都很高。21世纪初,合金钢在钢的总产量中的比例将有大幅度增长。

含碳量2%~4.3%的铁碳合金称生铁。生铁硬而脆,但耐压耐磨。根据生铁中碳存在的形态不同又可分为白口铁、灰口铁和球墨铸铁。白口铁中碳以Fe3C形态分布,断口呈银白色,质硬而脆,不能进行机械加工,是炼钢的原料,故又称炼钢生铁。碳以片状石墨形态分布的称灰口铁,断口呈银灰色,易切削,易铸,耐磨。若碳以球状石墨分布则称球墨铸铁,其机械性能、加工性能接近于钢。在铸铁中加入特种合金元素可得特种铸铁,如加入Cr,耐磨性可大幅度提高,在特种条件下有十分重要的应用。

铁与一种或几种元素组成的中间合金,主要用于钢铁冶炼。在钢铁工业中一般还把所有炼钢用的中间合金,不论含铁与否(如硅钙合金),都称为“铁合金”。习惯上还把某些纯金属添加剂及氧化物添加剂也包括在内。
铁合金一般用作:
①、脱氧剂。在炼钢过程中脱除钢水中的氧,某些铁合金还可脱除钢中的其他杂质如硫、氮等。
②、合金添加剂。按钢种成分要求,添加合金元素到钢内以改善钢的性能。
③、孕育剂在铸铁浇铸前加进铁水中,改善铸件的结晶组织。
此外,还用作以金属热还原法生产其他铁合金和有色金属的还原剂;有色合金的合金添加剂;还少量用于化学工业和其他工业。

【冶炼】

铁合金的主体元素一般熔点较高,或者它的氧化物难于还原,难于炼出纯金属,若与铁在一起则较易还原冶炼。在钢铁冶炼中使用铁合金,其中含铁非但无害,而因为易熔于钢水反较有利。因此,炼钢过程中脱氧和添加合金,大多以铁合金的形式加入。铁合金一般很脆,不能作为金属材料使用。
用坩埚冶炼低品位铁合金是1860年左右开始的。后来发展了用高炉炼锰铁和含硅12%以下的硅铁。1890~1910年间在法国开始用电弧炉生产铁合金。穆瓦桑 (H.Moissan)曾用电弧炉对难还原元素进行系统试验,埃鲁(P.L.T.H□roult)应用于工业生产,当时都用焦炭和木炭作还原剂还原有关矿石,产品大多是高碳的。1920年以后,为了满足优质钢和不锈钢发展的需要,开始生产低碳铁合金的新阶段。一方面,在戈尔德施米特 (K.Goldschmidt)1898年提出的铝热法制取金属的工艺基础上,发展出用铝热法冶炼一些不含碳的铁合金和纯金属;另一方面研制出在电炉中氧化含硅合金的脱硅精炼法。由于铝热法生产费用太高,脱硅精炼法得到了较多的应用。直到现在中碳、低碳、微碳铬铁,中碳、低碳锰铁,金属锰大多仍用此法精炼。精炼铬铁的热兑法即把液态的矿石、石灰熔体与硅铬合金,通过热兑混合加速反应,是脱硅精炼法的进一步发展。此外也用电解法生产纯净的合金添加剂(如金属锰),并采用真空脱碳法生产含碳极低的超微碳铬铁。近年还发展出应用纯氧吹炼法精炼铬铁、锰铁的方法。
中国在1940年左右用小型电炉生产硅铁、锰铁。1955年起吉林铁合金厂开始大规模生产。随后在各地建设了一批铁合金厂,并用小型高炉生产锰铁,满足了全国钢铁工业的需要。

【资源】
冶炼铁合金用的矿石原料除硅石各地普遍存在以外,大都集中在少数地区,如铬矿90%赋存在南部非洲,锰矿大量储存在南非和苏联。矿石多数以氧化物或含氧盐的形式存在(如铬、锰、钨、镍、钒、钛等),有些为硫化物(如钼)。这些矿石品位不同,大都需要选矿富集。中国钨矿储量居世界第一位。镍、钼资源在70年代勘明有较大储量。攀枝花等地的钒钛磁铁矿含有大量钒、钛资源。锰矿在湖南、广西、贵州等地有相当储量,但品位较低。

【品种用途】

作为炼钢脱氧剂,应用最广泛的是锰铁和硅铁。强烈的脱氧剂为铝(铝铁)、硅钙、硅锆等(见钢的脱氧反应)。用作合金添加剂的常用品种有:锰铁、铬铁、硅铁、钨铁、钼铁、钒铁、钛铁、镍铁、铌(钽)铁、稀土铁合金、硼铁、磷铁等。各种铁合金又根据炼钢需要,按合金元素含量或含碳高低规定许多等级,并严格限定杂质含量。含有两种或多种合金元素的铁合金叫做复合铁合金,使用这类铁合金可同时加入脱氧或合金化元素,对炼钢工艺有利,且能较经济合理地综合利用共生矿石资源。常用的有:锰硅、硅钙、硅锆、硅锰铝、硅锰钙和稀土硅铁等。
炼钢用纯金属添加剂有铝、钛、镍和金属硅、金属锰、金属铬等。某些易还原的氧化物如MoO、NiO,也用于代替铁合金。此外,还有氮化铁合金,如经过氮化处理的铬铁、锰铁等,以及混有发热剂的发热铁合金等。

【生产和消费】
铁合金主要用电炉生产,电耗高(每吨综合平均约5000千瓦?时),需要丰富而价廉的电力资源。法国成为早期铁合金的主要生产国,挪威成为最大铁合金输出国,都是以当地丰富的水电资源为基础。70年代工业发达国家的铁合金消费量,按每生产一吨粗钢计,大致为20公斤;其中主要合金元素所占的份额为:锰5.5~6.5公斤,硅2~3公斤,铬2~3公斤。

铝合金

铝是分布较广的元素,在地壳中含量仅次于氧和硅,是金属中含量最高的。纯铝密度较低,为2.7 g/cm3,有良好的导热、导电性(仅次于Au、Ag、Cu),延展性好、塑性高,可进行各种机械加工。铝的化学性质活泼,在空气中迅速氧化形成一层致密、牢固的氧化膜,因而具有良好的耐蚀性。但纯铝的强度低,只有通过合金化才能得到可作结构材料使用的各种铝合金。

铝合金的突出特点是密度小、强度高。铝中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蚀性,良好的塑性和较高的强度,称为防锈铝合金,用于制造油箱、容器、管道、铆钉等。硬铝合金的强度较防锈铝合金高,但防蚀性能有所下降,这类合金有Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg-Zn系。新近开发的高强度硬铝,强度进一步提高,而密度比普通硬铝减小15%,且能挤压成型,可用作摩托车骨架和轮圈等构件。Al-Li合金可制作飞机零件和承受载重的高级运动器材。
目前高强度铝合金广泛应用于制造飞机、舰艇和载重汽车等,可增加它们的载重量以及提高运行速度,并具有抗海水侵蚀,避磁性等特点。

铜合金

纯铜呈紫红色,故又称紫铜,有极好的导热、导电性,其导电性仅次于银而居金属的第二位。铜具有优良的化学稳定性和耐蚀性能,是优良的电工用金属材料。 工业中广泛使用的铜合金有黄铜、青铜和白铜等。Cu与Zn的合金称黄铜,其中Cu占60%~90%、Zn占40%~10%,有优良的导热性和耐腐蚀性,可用作各种仪器零件。再如在黄铜中加入少量Sn,称为海军黄铜,具有很好的抗海水腐蚀的能力。

在黄铜中加入少量的有润滑作用的Pb,可用作滑动轴承材料。青铜是人类使用历史最久的金属材料,它是Cu、Sn合金。锡的加入明显地提高了铜的强度,并使其塑性得到改善,抗腐蚀性增强,因此锡青铜常用于制造齿轮等耐磨零部件和耐蚀配件。Sn较贵,目前已大量用Al、Si、Mn来代替Sn而得到一系列青铜合金。铝青铜的耐蚀性比锡青铜还好。铍青铜是强度最高的铜合金,它无磁性又有优异的抗腐蚀性能,是可与钢相竞争的弹簧材料。
白铜是Cu-Ni合金,有优异的耐蚀性和高的电阻,故可用作苛刻腐蚀条件下工作的零部件和电阻器的材料。

耐蚀合金

金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力,称金属的耐蚀性。纯金属中耐蚀性高的通常具备下述三个条件之一:
①、热力学稳定性高的金属。通常可用其标准电极电势来判断,其数值较正者稳定性较高;较负者则稳定性较低。耐蚀性好的贵金属,如Pt、Au、Ag、Cu等就属于这一类。

②、易于钝化的金属。不少金属可在氧化性介质中形成具有保护作用的致密氧化膜,这种现象称为钝化。金属中最容易钝化的是Ti、Zr、Ta、Nb、Cr和Al等。

③、表面能生成难溶的和保护性能良好的腐蚀产物膜的金属。这种情况只有在金属处于特定的腐蚀介质中才出现,例如,Pb和Al在H2SO4溶液中,Fe在H3PO4溶液中,Mo在盐酸中以及Zn在大气中等。

因此,工业上根据上述原理,采用合金化方法获得一系列耐蚀合金,一般有相应的三种方法:
①、提高金属或合金的热力学稳定性,即向原不耐蚀的金属或合金中加入热力学稳定性高的合金元素,使形成固溶体以及提高合金的电极电势,增强其耐蚀性。例如在Cu中加Au,在Ni中加入Cu、Cr等,即属此类。不过这种大量加入贵金属的办法,在工业结构材料中的应用是有限的。
②、加入易钝化合金元素,如Cr、Ni、Mo等,可提高基体金属的耐蚀性。在钢中加入适量的Cr,即可制得铬系不锈钢。实验证明,在不锈钢中,含Cr量一般应大于13%时才能起抗蚀作用,Cr含量越高,其耐蚀性越好。这类不锈钢在氧化介质中有很好的抗蚀性,但在非氧化性介质如稀硫酸和盐酸中,耐蚀性较差。这是因为非氧化性酸不易使合金生成氧化膜,同时对氧化膜还有溶解作用。
③、加入能促使合金表面生成致密的腐蚀产物保护膜的合金元素,是制取耐蚀合金的又一途径。例如,钢能耐大气腐蚀是由于其表面形成结构致密的化合物羟基氧化铁[FeOx?(OH)23-2x],它能起保护作用。钢中加入Cu与P或P与Cr均可促进这种保护膜的生成,由此可用Cu、P或P、Cr制成耐大气腐蚀的低合金钢。
金属腐蚀是工业上危害最大的自发过程,因此耐蚀合金的开发与应用,有重大的社会意义和经济价值。

耐热合金

这类合金又称高温合金,它对于在高温条件下的工业部门和应用技术领域有着重大的意义。
一般说,金属材料的熔点越高,其可使用的温度限度越高。这是因为随着温度的升高,金属材料的机械性能显著下降,氧化腐蚀的趋势相应增大,因此,一般的金属材料都只能在500 ℃~600 ℃下长期工作。能在高于700 ℃的高温下工作的金属通称耐热合金。“耐热”是指其在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性。

提高钢铁抗氧化性的途径有两条:一是在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素,或者在钢的表面进行Cr、Si、Al合金化处理。它们在氧化性气氛中可很快生成一层致密的氧化膜,并牢固地附在钢的表面,从而有效地阻止氧化的继续进行。二是用各种方法在钢铁表面形成高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等耐高温涂层。

提高钢铁高温强度的方法很多,从结构、性质的化学观点看,大致有两种主要方法:
一是增加钢中原子间在高温下的结合力。研究指出,金属中结合力,即金属键强度大小,主要与原子中未成对的电子数有关。从周期表中看,ⅥB元素金属键在同一周期内最强。因此,在钢中加入Cr、Mo、W等原子的效果最佳。
二是加入能形成各种碳化物或金属间化合物的元素,以使钢基体强化。由若干过渡金属与碳原子生成的碳化物属于间隙化合物,它们在金属键的基础上,又增加了共价键的成分,因此硬度极大,熔点很高。例如,加入W、Mo、V、Nb可生成WC、W2C、MoC、Mo2C、VC、NbC等碳化物,从而增加了钢铁的高温强度。

利用合金方法,除铁基耐热合金外,还可制得镍基、钼基、铌基和钨基耐热合金,它们在高温下具有良好的机械性能和化学稳定性。其中镍基合金是最优的超耐热金属材料,组织中基体是Ni。

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