各顯其能的鐵合金

各顯其能的鐵合金江西新余吳長壽鐵合金作為煉鋼生產(chǎn)中的脫氧劑和合金添加劑，在港的冶煉過程中及提高鋼的機械性能、工藝性能或理化性能方面扮演著十分重要的角色，起著舉足輕重的作用。一、 錳、硅、銘系唱主角錳鐵、硅鐵、鉻鐵是傳統(tǒng)的常規(guī)合金，是目前應(yīng)用最廣泛也是最重要的鐵合金。錳鐵分高爐錳鐵和電爐錳鐵。我國國家標準規(guī)定：高爐錳鐵要求含錳量在50%以上，電爐錳鐵則要求含錳量在65%以上（含錳量在30%以下的錳鐵習慣上稱其為鏡鐵）。硅鐵則以含硅量在75%為最常用。錳鐵、硅鐵作為煉鋼過程中的脫氧劑及合金添加劑，發(fā)揮著極其重要的作用。目前，全世界錳鐵、硅鐵的年產(chǎn)量大約在500?550萬噸和280?300萬噸之間。約占全世界鐵合金年產(chǎn)量的25?28%和14?15%。我國的硅鐵產(chǎn)量居世界第一位，1997年約為120萬噸，占我國鐵合金年產(chǎn)量的三分之一強。鉻鐵也是一種非常重要的常規(guī)鐵合金產(chǎn)品。鉻在鉻鐵合金中的含量大約為60%。若在冶煉過程中往鋼水中加入12?18%的鉻，則煉出來的鋼被稱為不銹鋼。目前，全世界鉻鐵的年產(chǎn)量大約為350萬噸，約占鐵合金年產(chǎn)量的17.5%,其中70%以上用于不銹鋼行業(yè)。二、 發(fā)熱合金前景好發(fā)熱合金是把鐵合金磨細后與發(fā)熱劑混合在一起，制成壓塊或球丸等形式應(yīng)用。當壓塊或球丸與金屬液相互作用時，發(fā)熱鐵合金中的發(fā)熱劑放出熱量，使鐵合金細粉熔化，從而達到金屬液合金化的目的。發(fā)熱鐵合金中的發(fā)熱劑通常由還原劑、氧化劑、熔劑及粘結(jié)劑組成。常用的還原劑是那些與氧作用時放出的熱量比配進的合金化元素放熱大的元素。為避免金屬液溫度低時，不能促使氧化劑與還原劑起放熱反應(yīng)，有時在發(fā)熱鐵合金中加上適當?shù)逆V屑。發(fā)熱鐵合金的奇異功能是能夠促進合金化元素的吸收。如使用發(fā)熱鐵合金，鉻的吸收率達99.3%,錳的吸收率達90?92%,鈮及鎢的吸收率均在90%以上。而使用非發(fā)熱鐵合金，鉻和錳的吸收率分別為90%和75%。使用發(fā)熱鐵合金作合金添加劑時，鋼的質(zhì)量并無變化，只有氮含量稍有增高，但不影響其使用。使用發(fā)熱鐵合金作合金添加劑，由于合金化元素的燒損量下降，合金吸收率提高，節(jié)約了大量的費用。使用發(fā)熱鐵合金作合金添加劑，還可以獲得流動性非常好的爐渣成分。通常情況下，生產(chǎn)的爐渣具有足夠的流動性，則金屬甚至在壓塊或球丸燃點低于鐵合金熔點的情況下，也能迅速地熔化。目前開發(fā)和應(yīng)用發(fā)熱鐵合金正日益受到各國專家的高度重視，發(fā)熱鐵合金的前景十分看好。三、 鋇系合金優(yōu)勢強領(lǐng)，銀白色軟金屬，有展性，可通過電解熔融氯化領(lǐng)（如氯化銨）而得。在自然界中，領(lǐng)主要以硫酸鹽（重晶石）和碳酸鹽（毒重石）兩種礦石存在。領(lǐng)是堿土金屬，具有很強的化學活性，將其加入鋼液中，對非金屬元素具有很強的親和力，可生成穩(wěn)定的氧化物、硫酸物和碳化物等。因此可成為煉鋼生產(chǎn)中很強的脫氧劑和脫硫劑。領(lǐng)具有密度大，沸點高登特點，有利于在高溫和比重大的鋼液中使用。近年來，隨著連鑄技術(shù)的推廣應(yīng)用，原使用的硅鈣合金存在比重小、沸點低，在高溫下易揮發(fā)、反應(yīng)劇烈、操作不安全、合金元素吸收率低等缺點。如果在硅鈣合金中加入適量的領(lǐng)，制成硅一鈣一領(lǐng)或硅一鈣一領(lǐng)一鋁等含領(lǐng)合金，增加合金的比重。這樣有利于合金被鋼液吸收，可以減輕含鈣合金處理鋼液時的激烈程度，使得工藝操作簡便而安全。同時，由于加入了含領(lǐng)合金，可以提高鈣在鋼液中的溶解度。而鋼液中有較多的溶解鈣，可保護酸溶鋁不被二次氧化并把固體三氧化二鋁夾雜轉(zhuǎn)變成含鈣42?48%,三氧化二鋁50?55%的液態(tài)鋁酸鈣夾雜物，避免了中間包的水口堵塞。在鑄造生產(chǎn)中，領(lǐng)系合金作為一種新型的孕育劑，較之原先使用的75%硅鐵，具有抗衰退時間長、效果穩(wěn)定、較易獲得A型石墨、降低鑄件白口化傾向等優(yōu)點，在提高鑄件的綜合機械性能方面表現(xiàn)出獨特的作用，特別是在生產(chǎn)薄壁高強度鑄件時，這些優(yōu)點對人們更具誘惑力。根據(jù)國內(nèi)一些鐵合金廠家的冶煉實踐，生產(chǎn)領(lǐng)系合金與生產(chǎn)75%硅鐵的操作方法基本相同，成本相近，僅電耗略有增加。因此，盡管領(lǐng)系鐵合金產(chǎn)品價格高于同類不含領(lǐng)的鐵合金產(chǎn)品，但卻出現(xiàn)了前者供不應(yīng)求的局面。四、鉬系合金顯神奇純鉬為銀白色略帶灰色的金屬，密度（20°C）為10.2g/cm3，熔點2615C,沸點5560C。常溫下鉬在空氣中是穩(wěn)定的，但在加熱時會隨著溫度的上升表面呈現(xiàn)不同的顏色。當高于600C時，純鉬很快形成白色的三氧化二鉬；當溫度高于700C時，水蒸氣與鉬生成二氧化鉬；當溫度高于800C時，鉬與碳、碳氫化合物、一氧化碳生成碳化鉬。鉬具有較高的強度和硬度，同時也有良好的延展性。但鉬對雜質(zhì)的敏感令人吃驚，即使是萬分之幾的氧或氮也會使它變得很脆。鉬被受到青睞且廣泛應(yīng)用，始于第一次世界大戰(zhàn)，當時人們往坦克防彈裝甲鋼中加入1.5?2.0%的鉬，奇跡出現(xiàn)了，鋼板的硬度和韌性都得到了極大的提高。即使是裝甲鋼板的厚度減少到原先的三分之一，仍然可以有效地防護高速旋轉(zhuǎn)的穿甲彈的洞擊。如此一來，坦克變得輕便靈巧，堅不可摧，成為戰(zhàn)場上克敵制勝的強有力常規(guī)武器。因此，鉬也就毫不奇怪地被人們稱之為“戰(zhàn)爭金屬”并被戰(zhàn)爭各方列為重要的戰(zhàn)略物資。到了第二次世界大戰(zhàn)的1943年，全世界鉬的年產(chǎn)量突破3萬噸；七十年代中期，鉬的世界年消費量已近10萬噸，其中以美國消費量最多，達3.4萬噸。進入八十年代以來，隨著東西方冷戰(zhàn)的結(jié)束，鉬的消費量日漸萎縮，價格也在九十年代初降至十幾年來的最低點，美國的鉬公司及礦山都出現(xiàn)不同程度的限產(chǎn)或停產(chǎn)。1994年以來，美國經(jīng)濟開始復(fù)蘇，其國內(nèi)鉬市場嚴重缺貨，歐洲和日本的市場也開始啟動。1994年以來，美國、智利、加拿大停產(chǎn)的礦山相繼恢復(fù)了生產(chǎn)，并且很多銅礦山都增設(shè)了回收鉬的生產(chǎn)線。1995年世界鉬的需求量達到了10.5萬噸，中國鉬的需求量大約為1萬噸。目前，全世界每年生產(chǎn)的鉬約有90%用來制造各類合金鋼，以滿足兵器工業(yè)和民用工業(yè)的需要。鉬在制造合金結(jié)構(gòu)鋼方面，主要應(yīng)用于鉻鉬鋼、鉻鎳鉬鋼、鉻錳鉬鋼。鉻鋼具有質(zhì)地堅硬、耐磨、耐腐蝕等特點，但其回火脆性極大。若考慮在鉻鋼中加入0.15?0.25%的鉬制成鉻鉬鋼，不僅可以提高鋼的強度和韌性，而且可以進一步提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，克服回火脆性。鉬作為超高強度鋼中重要的添加金屬，在提高鋼的強度極限方面有著讓人瞠目的奇異作用。含鉬超高強度鋼的強度極限值可達1500MPa以上，有的甚至高達2000MPa以上。目前，在國外鉬系高速鋼已逐漸取代鎢系高速鋼。近年來，鉬鎢系高速鋼的使用在我國也越來越多，特別是在航空航天工業(yè)和原子能工業(yè)上，鉬系合金鋼正發(fā)揮著日益重要的作用。可以預(yù)料，隨著國民經(jīng)濟和科學技術(shù)的發(fā)展，我國鉬的生產(chǎn)，鉬系合金的開發(fā)及消費將呈穩(wěn)定增長勢頭。五、 含硼合金奧妙多人們很早就知道，在一定的淬火條件下，鋼件的淬透性主要取決于鋼的成分。如果想要提高鋼的淬透性，通常在煉鋼時往鋼液中加入一定量的鎳、鉻、銅等合金元素。我們知道，以上這些元素價格昂貴，資源稀缺，難以在大量使用的結(jié)構(gòu)鋼中廣泛采用。本世紀三十年代，人們在煉鋼時發(fā)現(xiàn)了一種奇特現(xiàn)象：在不加入上述那些貴重元素的情況下，只要使用某種含鋁、鈦、硅的復(fù)合脫氧合金給鋼脫氧，也練出來的鋼的淬透性有時會明顯提高。但人們經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)，鋁、鈦、硅這些元素本身并沒有這種明顯的效應(yīng)。實踐的需要提出了課題。人們經(jīng)過反復(fù)的分析和實驗，發(fā)現(xiàn)這些脫氧劑除含上述元素外，還含有極微量的硼。盡管對整爐鋼來說，硼的加入量或許僅為十萬分之一；但只要有這么一點硼，其提高鋼的淬透性的作用相當于加入2.4%的鎳、0.45%的鉻或0.35%的鉬。但是，某些事實也一直困惑著研究人員。人們在實踐中發(fā)現(xiàn)，每次向鋼水中加入同量的硼，效果卻不盡相同。有的產(chǎn)品淬透性好，有的一般，有的好像根本沒加過硼，甚至還有少量的鋼加硼后性能反而下降。六十年代至七十年代，科技人員對硼在鋼中的作用機理進行了大量的基礎(chǔ)性研究工作，終于弄清楚了一些事實：雖然鋼中加入的硼極少，但仍非所有的硼都起到了良好的作用，實際有效的硼是加熱時鋼中的酸溶硼量。只要在工藝控制上能夠提供穩(wěn)定的一定量的酸溶硼，就可以基本保證鋼的淬透性的穩(wěn)定。我們知道，鋼中酸溶硼的穩(wěn)定性主要取決于鋼液中氧和氮的含量，因此我們也就可以在生產(chǎn)中找到工藝控制條件，從而獲得最佳硼效應(yīng)得方法和手段。繼而，科技人員又通過實踐驗證了一些事實：什么時候硼能起作用，什么情況下雖然有硼但無法發(fā)揮其效應(yīng)。近年來，人們通過深入的研究，認識到微量的硼與鈮及鈦等元素有強烈的綜合作用。在現(xiàn)代煉鋼及連鑄條件下，在低碳純凈的鋼中，聯(lián)合加入微量的硼與鈮（或鈦）就既能保證剛才的高強度，同時又能穩(wěn)定發(fā)揮硼提高淬透性的效應(yīng)。因此硼鋼從原來的主要屬于機械制造調(diào)質(zhì)鋼范圍很快進入到大規(guī)模生產(chǎn)的微合金化鋼的領(lǐng)域。六、 鈦、鈮合金競風流1791年，英國牧師格雷戈爾在對其教區(qū)內(nèi)的一種黑礦砂進行化學分析時，直覺地認為，黑礦砂中含有一種以往未發(fā)現(xiàn)的新元素。遺憾的是格雷戈爾牧師未能就自己的發(fā)現(xiàn)進行更深入的研究，以致錯過了一次對新元素的命名。1795年，奧地利科學家克拉普羅特在研究匈牙利布尼克地區(qū)的金紅石時，認識到它是一種新金屬的氧化物。當時克拉普羅特借用希臘神話中大地的第一代兒子太旦神族Titans命名這種金屬為Titanium（鈦），元素符號定為Ti。鈦是一種銀白色輕金屬，密度為4.5g/cm3。鈦在自然界分布極廣，在地殼中的含量居第九位。自從格雷戈爾發(fā)現(xiàn)鈦到本世紀初的100多年的時間里，人們一直為得到純凈的鈦而孜孜以求。直到1910年，美國人亨特才用鈉還原四氯化鈦制得較純凈的鈦；1932年，盧森堡科學家克羅爾用鈣還原四氯化鈦制得金屬鈦；1940年，又在氯氣保護下用鎂還原四氯化鈦制成鈦一此法為工業(yè)制鈦奠定了基礎(chǔ)，也使得鈦在今天能夠被稱為繼鐵、鋁之后“崛起的第三金屬”，在軍事工業(yè)和民用工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。鈦的密度較低，比強度（抗拉強度/密度）高，中溫強度好，可在450?500°C下長期工作，是當代飛機最重要的結(jié)構(gòu)材料之一。美國軍用飛機鈦合金用量在第四代戰(zhàn)斗機如F—14、F-15上高達40%以上。美國著名的SR-71高空偵察機更是幾乎全身都是鈦及其合金制造的，被稱為全鈦飛機。因此，鈦及其合金又有“空間金屬”之稱。鈦及其合金具有無磁性及良好的抗海水腐蝕性能。因此，它成為制造攻擊性戰(zhàn)略潛艇的首選材料。前蘇聯(lián)的“阿爾法”潛艇有一個雙層的鈦合金艇身，是當今潛水最深的潛艇，能下潛915米，而普通鋼結(jié)構(gòu)潛艇的最大潛水深度只有610米。同時，以往專門用來搜捕常規(guī)鋼潛艇的磁性探測儀對它也顯得無可奈何。鈦及其合金的綜合性能與不銹鋼相當，但重量幾乎輕一半；鈦及其合金對生物組織及體液有良好的相容性，是一種親生物金屬。鈦制得手術(shù)器械很受外科醫(yī)生的親睞；鈦還用于制造骨骼螺釘、上下顎移植件、人工關(guān)節(jié)、牙齒矯正支架等。鈦及合金與人類的日常生活也息息相關(guān)。日本尼康相機率先采用鈦合金制造相機機身，使得相機既靈巧又堅實耐用；體育用品商店里用鈦合金制造的自行車、網(wǎng)球拍、滑水板、高爾夫球桿讓體育愛好者愛不釋手；珠寶商行光彩奪目造型別致款式新穎的飾品常令愛美的女性流連忘返。鈦還和鈮應(yīng)用于制造無間隙原子鋼（亦稱超深沖鋼）。在無間隙原子鋼中，碳和氮要控制在小于或等于0.003%。為了完全固定鋼中的碳和氮間隙原子形成碳氮化物，最有效的方法就是向超低碳鋼中添加超過化學計量的鈮和鈦。無間隙原子鋼具有極優(yōu)的耐深沖性能，主要應(yīng)用于汽車工業(yè)特別是轎車工業(yè)。目前世界上無間隙原子鋼的年產(chǎn)量為700萬噸，基本上完全為西方世界所擁有。我國無間隙原子鋼的開發(fā)和研制起步較晚，但近幾年取得了很大的進展。國產(chǎn)的無間隙原子鋼已試煉成功，為批量生產(chǎn)無間隙原子鋼薄板創(chuàng)造了有利條件。七、稀土合金成新寵我們通常稱鈧、鈕及銅系元素為稀土元素或稀土金屬。純凈的稀土金屬都具有銀色光澤，性質(zhì)較軟，再潮濕空氣中不易保存，易溶于稀酸，原子價以正三價居多（鈰正四價較穩(wěn)定，錯和鋱也有極個別的四價氧化物，釤、銪、鐿有二價化合物）。稀土元素與氧和硫的親和力大，脫出鋼中的氧和硫的能力比鋁、鈦、錯更強，而且凝固時稀土硫化物呈球狀分布，使得鋼的熱加工性能得到改善。我國是稀土資源及其豐富的國家，業(yè)已探明的儲量居世界首位。七十年代末，我國又發(fā)現(xiàn)了特有的一種極易提取得離子吸附型稀土礦床。稀土元素的化學性質(zhì)除鈧的差異較顯著外，其余都十分相似，稀土元素通常共生在一起，生成稀土礦物。從稀土礦物中提取稀土元素并不是一件容易的事。稀土元素的提取一般有以下幾個步驟：富集、精選出品位較高的精礦；分解稀土精礦；用水或酸溶液從分解后的精礦中浸出稀土元素；分離稀土元素與雜質(zhì)元素得到較純凈的稀土氯化物或氧化物；用溶劑萃取法或離子交換法從稀土氯化物或氧化物中分離出單一的稀土元素。稀土元素通常與鐵、鋁、鎂、領(lǐng)、硅、鎳、鈦、釩、鈮、鉻等