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冶炼技术  

谈稀有金属及应用

作者:佚名
次数:1257
日期:2015-8-10 8:40:38

    一些稀有金属由于在地壳中比较分散,或其矿物没有特别引人注目的特征,因而被人们发现较迟,研究较少:某些稀有金属则由于制取较困难,其生产和应用都较迟,这些在历史上就给人们形成了“稀有”的概念。但随着科学技术的发展,人们对稀有金属的研究、生产、应用日益增加。对某些稀有金属而言,“稀有”二字已失去了其原有的含义,也有许多稀有金属被划入普通金属之列。

稀有金属具有各种优良性质,因而在国民经济各部门及近代科学技术各领域中(如航天、能源、电子、化工等),都占有日益重要的地位。在有些领域中,稀有金属材料的应用甚至成为促进该领域在某一阶段发展的主要因素之一。在航空及航天技术中,由于密度小、高温强度大的
材的应用,才使制造宇宙飞行器及马赫数较大的超音速飞机成为可能。

在电子工业中,高纯度稀有金属锗是最主要的半导体材料之一。此外铌、钨、铝、钛、锆等也都是电子工业的重要材料;稀有金属钽用以制造比容大、性能稳定的优质电容器,成为航空及航天设备中的重要电子元件。

在钢铁工业中,
稀土金属及稀有高熔点金属都是冶炼优质钢的重要添加剂,少量稀土或钒加入到钢中,都能大大提高其强度和耐冲击性能,故大量用于炼制各种低合金钢。钨用于炼制高速切削用钢(即高速工具钢,钒也是许多特种钢的重要成分。稀有高熔点金属的碳化物都具有很高的熔点、硬度和耐磨性能,因此广泛用于制作硬质合金。

镍合金及其应用

地球上镍的蕴藏量很少,只有铁的六百分之—左右,并且镍又是同多种元素混合在一起,不容易提炼,所以镍比较昂贵。镍是高温合金的重要材料,有独特的耐腐蚀性,并是明显改善钢铁等金属性能的“佐料”,应用广泛。

镍是银白色的金属,密度为8.9g/cm3,熔点为1455℃,具有面心立方晶格,强度较高,塑性较好,导热性差,电阻较大。在空气、水、海水、许多盐溶液、有机介质特别是各种碱液中,因镍表面形成钝化膜保护层而有极强的耐蚀性,其耐海水及热碱腐蚀的能力在金属中表现突出。纯镍常用做磁性材料及生产不锈钢的合金,也用于电真空零件及耐蚀零件。

镍合金是在镍中加入铜、铬、铝、钨、钛、铝等而形成的,用于高温、耐蚀场合。Ni-Cu型合金又称蒙乃尔合金,无低温脆性,无磁性,焊接性较好,易于冷热成形。其很适于制作低温设备,高温耐碱、耐海水及耐氢氟酸腐蚀设备,如换热设备、反应釜、容器、弹性零件。Ni-Cr型合金又称因科内尔合金,焊接性、冷热成形性及耐蚀性较好,并有优良的抗高温氧化性能,耐硝酸腐蚀性突出。主要用于高温工作的受力零件及设备,也可制作耐蚀零件,如加热器、核动力蒸发器、电炉丝、冷凝器、硝酸生产设备的耐蚀零件及1000℃左右工作的高温结构件,如喷气燃气轮机涡轮叶片及燃气喷嘴等。Ni-Mo型合金又称哈氏合金,既有抗高温腐蚀能力,又有优良的高温综合力学性能,能在较高的温度及应力下工作,耐盐酸腐蚀性突出。其常用于耐盐酸等腐蚀的设备零件以及650℃左右长期工作的设备零件。

  锂及其应用

锂是最轻的金属,其密度仅为0.54g/cm3左右,熔点低,约180℃,化学性活泼,必须保存在煤油等介质中。锂在工业中有不少独特的应用效果。

在铝电解槽中添加碳酸锂等锂盐后,每吨铝可节电400~500kW●h,并明显减少了阳极材料及电解质的消耗量,提高了铝的纯度。锂可用在制造微晶玻璃(可用于制造耐热炊具)、黑白电视显像管、绝缘泡沫玻璃等方面,添加微量氧化锂可降低玻璃熔制温度及降低膨胀系数,并能降低能耗。锂基润滑脂具有独特的润滑性能,工作温度范围宽(-60~200℃),安定性和抗水性好,使用寿命长,应用广泛。

性能优异的手机锂电池是锂的一个典型应用:锂具有最小的电化学当量值,1g锂可放出3.83A●h的电;锂的电阻低,有利于电极集流;锂的密度小,有利于获得较高的比能量;锂的化学活性大,活性物质的利用率高。所有这些决定了其所制的电池具有质量轻,体积小,储电量大,充电速度快,并且电池不易产生记忆等特点。

铝及其合金中加入1%的锂,密度可下降约3%,弹性模量可增加约5%,耐蚀性和抗疲劳性也明显增加。而镁—锂合金是目前密度最小的合金,其比强度很高,用于航空工业可明显降低质量。在铜中加入锂可提高铜的电导率,在金属冶炼中加入锂可作除氧剂和除硫剂。

  钨及其应用

钨是熔点最高(约3400℃)的纯金属,常温下在任意浓度的盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、王水及碱中都是稳定的。但钨在室温时处于冷脆状态,使其加工遇到困难;同时,在空气中加热到高温时易氧化,限制了它的扩大应用。在钨中加入合金则可明显提高强度、塑性及抗氧化性。在1900℃时钨合金的强度可达440MPa,而其他金属则早已熔化,故钨合金可作为高温结构材料,如制造喷气发动机喷嘴、进出口套管及飞船发动机推进器等。

高速工具钢是添加了较多钨的高碳合金钢(如W18Cr4V),其耐热性、耐磨性及强韧性比一般工具钢优异得多,广泛用于制造高速切削工具如车刀、麻花钻、铣刀等。

常用的硬质合金中含有较多高硬度、高熔点、高耐磨的
碳化钨,在1000℃左右仍保持很高的硬度和耐磨性,比高速钢更耐磨更耐热,其刀具的切削速度可提高到200m/s左右。

用粉末冶金法制取的钨铜合金和钨银合金,兼有铜银的高导电性和钨的耐磨性,是制造刀型开关、断路器、点焊电极等的理想触点材料。

金属
钨丝、薄带以及致密金属钨零件广泛用于电照明和电子工业。钨丝是白炽灯灯丝的理想材料,因为它的工作温度高,发光效率高,蒸发速度低,寿命长。钨丝还作为电子管的热阴极和栅极、高压整流管的阴极和各种仪器中的间接加热阴极的加热器;钨也可以作为x射线管的靶子、气体放电管、各种电器触点以及钨极氩弧焊的电极,还用做高温炉的发热元件,其工作温度达3000℃以上。

  钼及其应用

钼的性质同钨较接近,其熔点约2620℃, 在高温下具有较高的高温强度。在1000℃以上,钼的比强度是最高的,因此它是极有用的高温结构材料。钼的高温导电性比铁和镍都好,膨胀系数约为铜的30%,几乎与电子管用的特殊玻璃的膨胀系数相同。

钼的抗蚀性较好,乃酸性仅次于钨。在冶金工业中,钼是一种重要的添加剂:加钼可提高合金的耐热性、耐蚀性、耐磨性、韧性及淬透性等,因此它是合金中非常有益的元素。因钼的熔点高,导电和导热性好,可作为高温炉的发热体和热反射材料。用钼做发热体的电炉工作温度可达1700℃。在电子电器工业中可制作电子管阴极、栅极、高压整流器元件、白炽灯中灯丝支撑。其耐磨、耐热、耐蚀的特性使其常用于金属加工业中,可做挤压膜、压铸膜和铸模型芯。钼合金具有较高的高温强度和比强度,在涂层保护下,可制作火箭发动机的喷管、防热屏等零件。由于钼及钼合金热中子吸收截面小,对核燃料的稳定性和抗液体金属腐蚀性能好,在原子能工业中可作为气体冷却反应堆的包套材料和堆芯结构材料。在玻璃前为工业中用钼代铂作电极,还用作玻璃熔炼的发热元件和搅拌器。

钼的化合物中,二流化钼可作为固体润滑剂,其性能优于始末,在-45~400℃温度范围内均可正常使用。土壤中如含有微量的钼就可以刺激植物生长。施加微量钼肥能使大豆增产10%~15%,水稻增产20%~25%。因此钼的化合物也用于生产复合肥。

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