金属材料的制备-1-镁合金制备培训讲学

金属材料的制备-1-镁合金制备为什么提款机的键盘要用金属？

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1、金属材料简介①离子键大多数的盐类、碱类以及金属氧化物通过离子键结合。通过电子转移，形成各自稳定结构的带电的正负离子，通过库仑相互作用结合在一起。1、金属材料简介①离子键特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列；无方向性和饱和性,这导致离子晶体一般具有较高的配位数；结合牢固，熔点和硬度较高，良好的电绝缘体。Na+Cl-1、金属材料简介②共价键亚金属（C，Si，Sn，Ge）、聚合物，无机非金属材料。由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。1、金属材料简介②共价键特点：有方向性(电子在原子核周围出现的几率有明显差异)：除s轨道，其它轨道都有一定的方向性，键的方向沿着电子云重叠最大的方向；有饱和性：导致配位数较少；结构稳定，熔点高，硬，脆，导电性差。1、金属材料简介③金属键金属原子的最外层电子数少，极易摆脱原子核的束缚成为自由电子。自由电子可在整个金属中自由运动，被共有化。金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。1、金属材料简介③金属键特点：金属键既无方向性，也无饱和性。这导致金属倾向于密堆积排列，fcc,hcp,bcc；良好的导电性，导热性，好的延展性？？1、金属材料简介严格的说：量子力学的世界里面，没有100%的事情。不可能有单一的化学键。金属键与导热热的本质金属键与导热热的本质金属键与导热传递热能的三种形式金属键与导热热辐射，物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。金属键与导热热对流（thermalconvection）是指热量通过流动介质，由空间的一处传播到另一处的现象。西伯利亚寒流大西洋暖流金属键与导热固体的热传导金属键与导热绝缘体材料（离子或共价晶体）：无自由电子，靠声子导热纯金属：自由电子多，导热主要靠自由电子金属键与导热绝缘体材料（离子或共价晶体）：无自由电子，靠声子导热纯金属：自由电子多，导热主要靠自由电子合金：自由电子和声子均有贡献磁性材料：还需要考虑磁振子的贡献金属键与堆垛方式由于金属键不具有饱和性和方向性，使金属的晶体结构倾向于紧密堆垛排列。所以金属的晶体结构通常为以下三种：面心立方结构(face—centeredcubic,fcc)体心立方结构(body—centeredcubic,bcc)密排六方结构(hexagonalclose-packed,hcp)

如何堆积才能提高致密度？金属键与堆垛方式面心立方FCC密排六方HCP金属键与堆垛方式如何堆积才能提高致密度？面心立方FCC密排六方HCP金属键与堆垛方式原子太“软”，无法形成最致密堆积，形成体心立方金属键与堆垛方式2、镁合金的冶炼①、镁合金简介“镁合金”Why？降低汽车整车质量是汽车轻量化最有效途径。通过测算显示，一辆汽车的自重每减少10%，燃油消耗量便会降低6%~8%.①、镁合金简介国家镁合金材料工程技术研究中心①、镁合金简介①、镁合金简介电磁屏蔽计算机、手机等产品的外壳,以降低电磁波对人体辐射危害。①、镁合金简介生物性能生物医用材料具有很高的附加值，其每公斤达1200-150000美元，而建筑材料仅为0.1-1.2美元，宇航材料也仅100-1200美元。②镁合金的冶炼

高炉冶炼特点高炉是连续的、大规模的高温生产过程，机械化和自动化水平较高。可以数十年不停机。为什么不用高炉冶炼镁？镁熔点650

°C沸点1091

°C铁熔点1538

°C，沸点2862

°C镁的沸点低，容易形成蒸汽，难于从炉底排出镁熔体。能否通过降低炉内温度的方式，用高炉冶炼镁？1、加速炭的燃烧，提高炉内温度。2、产生CO气体，促成（气相+固相）还原反应。3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

Fe3O4+CO=3FeO+CO2

FeO+CO=Fe+CO2固态的C也可以直接对铁矿石进行还原，但是固相-固相之间的反应，依靠原子扩散来进行，速度非常慢。如果要用高炉冶炼镁，在降低炉温的同时。需要找到合适的还原性气体。②镁合金的冶炼高炉冶金为什么要吹气？氧化物能否被还原，取决与各组元与氧的亲和能力。亲和能力越强的组元，可以争取到更多的氧原子。3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

Fe3O4+CO=3FeO+CO2

FeO+CO=Fe+CO2上面的反应式中，CO的与氧的亲和能力最强，可以还原Fe的氧化物。氧势图氧势图把上式的DrGθ与温度T的二项式关系绘制成图。该图又称为氧势图，或称为埃林汉姆图，或称为氧化物标准生成自由能与温度的关系图。为了直观地分析和考虑各种元素与氧的亲和能力，了解不同元素之间的氧化和还原关系，比较各种氧化物的稳定顺序，埃林汉曾将氧化物的标准生成吉布斯自由能数值折合成元素与1mol氧气反应的标准吉布斯自由能变化即，将反应：氧势图（Ellingham）的形成原理氧势图（1）斜率是反应的熵变的负值（2）转折点一定是在该温度有反应物或产物的相变氧势图Mg1800℃在CO线以上的区域，如元素Fe、W、P、Mo、Sn、Ni、Co、As及Cu等的氧化物均可以在固态的时候被C还原.镁熔点650

°C沸点1091

°C氧势图镁熔点650

°C沸点1091

°C▲热还原法

▲热还原法

皮江法（1940年）该工艺将煅烧后的白云石和硅铁按一定配比磨成细粉，压成团块，装在由耐热合金制成的蒸馏器内，在1423～1473K及13Pa条件下还原得到镁蒸气，冷凝结晶成固态镁，再熔成镁锭。该工艺投资少，产品质量高，但不能连续生产。▲热还原法

皮江法（1940年）蒸馏罐用无缝钢管制成,卧式.操作温度1200℃,外部加热.罐长3米,内径28厘米,装料160kg。

▲热还原法

皮江法（1940年）真空度13.3~133.3Pa，温度1200℃，时间9h。▲电解法和皮江法对比

1、电解法与皮江法在一次能源消耗和矿石资源消耗上基本相当。由于有副产品氯气的销售收入,电解法的生产成本低于皮江法。2、在镁电解生产中,吨镁将产生副产品氯气2.8～2.9吨,而氯气属有毒的高危产品,不宜大量贮存和运输,因此,必须在电解镁装置附近配套建设能消耗这些氯气的一系列化工装置,配套这些化工装置的投资一般是镁冶炼部分的8～10倍,整个项目是一个庞大的产业集群,投资巨大。▲电解法和皮江法对比

3、皮江法工艺简单,所需资源分布广,只要在煤炭资源丰富的地方均可建设,在生产中皮江法炼镁所提供的就业岗位相对较多,有较好的社会效益。皮江法炼镁与焦化产业组合形成产业链,利用炼焦产生的焦炉煤气作为皮江法炼镁的燃料,可