各显其能的铁合金

各显其能的铁合金江西新余吴长寿铁合金作为炼钢生产中的脱氧剂和合金添加剂，在港的冶炼过程中及提高钢的机械性能、工艺性能或理化性能方面扮演着十分重要的角色，起着举足轻重的作用。一、 锰、硅、铭系唱主角锰铁、硅铁、铬铁是传统的常规合金，是目前应用最广泛也是最重要的铁合金。锰铁分高炉锰铁和电炉锰铁。我国国家标准规定：高炉锰铁要求含锰量在50%以上，电炉锰铁则要求含锰量在65%以上（含锰量在30%以下的锰铁习惯上称其为镜铁）。硅铁则以含硅量在75%为最常用。锰铁、硅铁作为炼钢过程中的脱氧剂及合金添加剂，发挥着极其重要的作用。目前，全世界锰铁、硅铁的年产量大约在500〜550万吨和280〜300万吨之间。约占全世界铁合金年产量的25〜28%和14〜15%。我国的硅铁产量居世界第一位，1997年约为120万吨，占我国铁合金年产量的三分之一强。铬铁也是一种非常重要的常规铁合金产品。铬在铬铁合金中的含量大约为60%。若在冶炼过程中往钢水中加入12〜18%的铬，则炼出来的钢被称为不锈钢。目前，全世界铬铁的年产量大约为350万吨，约占铁合金年产量的17.5%,其中70%以上用于不锈钢行业。二、 发热合金前景好发热合金是把铁合金磨细后与发热剂混合在一起，制成压块或球丸等形式应用。当压块或球丸与金属液相互作用时，发热铁合金中的发热剂放出热量，使铁合金细粉熔化，从而达到金属液合金化的目的。发热铁合金中的发热剂通常由还原剂、氧化剂、熔剂及粘结剂组成。常用的还原剂是那些与氧作用时放出的热量比配进的合金化元素放热大的元素。为避免金属液温度低时，不能促使氧化剂与还原剂起放热反应，有时在发热铁合金中加上适当的镁屑。发热铁合金的奇异功能是能够促进合金化元素的吸收。如使用发热铁合金，铬的吸收率达99.3%,锰的吸收率达90〜92%,铌及钨的吸收率均在90%以上。而使用非发热铁合金，铬和锰的吸收率分别为90%和75%。使用发热铁合金作合金添加剂时，钢的质量并无变化，只有氮含量稍有增高，但不影响其使用。使用发热铁合金作合金添加剂，由于合金化元素的烧损量下降，合金吸收率提高，节约了大量的费用。使用发热铁合金作合金添加剂，还可以获得流动性非常好的炉渣成分。通常情况下，生产的炉渣具有足够的流动性，则金属甚至在压块或球丸燃点低于铁合金熔点的情况下，也能迅速地熔化。目前开发和应用发热铁合金正日益受到各国专家的高度重视，发热铁合金的前景十分看好。三、 钡系合金优势强领，银白色软金属，有展性，可通过电解熔融氯化领（如氯化铵）而得。在自然界中，领主要以硫酸盐（重晶石）和碳酸盐（毒重石）两种矿石存在。领是碱土金属，具有很强的化学活性，将其加入钢液中，对非金属元素具有很强的亲和力，可生成稳定的氧化物、硫酸物和碳化物等。因此可成为炼钢生产中很强的脱氧剂和脱硫剂。领具有密度大，沸点高登特点，有利于在高温和比重大的钢液中使用。近年来，随着连铸技术的推广应用，原使用的硅钙合金存在比重小、沸点低，在高温下易挥发、反应剧烈、操作不安全、合金元素吸收率低等缺点。如果在硅钙合金中加入适量的领，制成硅一钙一领或硅一钙一领一铝等含领合金，增加合金的比重。这样有利于合金被钢液吸收，可以减轻含钙合金处理钢液时的激烈程度，使得工艺操作简便而安全。同时，由于加入了含领合金，可以提高钙在钢液中的溶解度。而钢液中有较多的溶解钙，可保护酸溶铝不被二次氧化并把固体三氧化二铝夹杂转变成含钙42〜48%,三氧化二铝50〜55%的液态铝酸钙夹杂物，避免了中间包的水口堵塞。在铸造生产中，领系合金作为一种新型的孕育剂，较之原先使用的75%硅铁，具有抗衰退时间长、效果稳定、较易获得A型石墨、降低铸件白口化倾向等优点，在提高铸件的综合机械性能方面表现出独特的作用，特别是在生产薄壁高强度铸件时，这些优点对人们更具诱惑力。根据国内一些铁合金厂家的冶炼实践，生产领系合金与生产75%硅铁的操作方法基本相同，成本相近，仅电耗略有增加。因此，尽管领系铁合金产品价格高于同类不含领的铁合金产品，但却出现了前者供不应求的局面。四、钼系合金显神奇纯钼为银白色略带灰色的金属，密度（20°C）为10.2g/cm3，熔点2615C,沸点5560C。常温下钼在空气中是稳定的，但在加热时会随着温度的上升表面呈现不同的颜色。当高于600C时，纯钼很快形成白色的三氧化二钼；当温度高于700C时，水蒸气与钼生成二氧化钼；当温度高于800C时，钼与碳、碳氢化合物、一氧化碳生成碳化钼。钼具有较高的强度和硬度，同时也有良好的延展性。但钼对杂质的敏感令人吃惊，即使是万分之几的氧或氮也会使它变得很脆。钼被受到青睐且广泛应用，始于第一次世界大战，当时人们往坦克防弹装甲钢中加入1.5〜2.0%的钼，奇迹出现了，钢板的硬度和韧性都得到了极大的提高。即使是装甲钢板的厚度减少到原先的三分之一，仍然可以有效地防护高速旋转的穿甲弹的洞击。如此一来，坦克变得轻便灵巧，坚不可摧，成为战场上克敌制胜的强有力常规武器。因此，钼也就毫不奇怪地被人们称之为“战争金属”并被战争各方列为重要的战略物资。到了第二次世界大战的1943年，全世界钼的年产量突破3万吨；七十年代中期，钼的世界年消费量已近10万吨，其中以美国消费量最多，达3.4万吨。进入八十年代以来，随着东西方冷战的结束，钼的消费量日渐萎缩，价格也在九十年代初降至十几年来的最低点，美国的钼公司及矿山都出现不同程度的限产或停产。1994年以来，美国经济开始复苏，其国内钼市场严重缺货，欧洲和日本的市场也开始启动。1994年以来，美国、智利、加拿大停产的矿山相继恢复了生产，并且很多铜矿山都增设了回收钼的生产线。1995年世界钼的需求量达到了10.5万吨，中国钼的需求量大约为1万吨。目前，全世界每年生产的钼约有90%用来制造各类合金钢，以满足兵器工业和民用工业的需要。钼在制造合金结构钢方面，主要应用于铬钼钢、铬镍钼钢、铬锰钼钢。铬钢具有质地坚硬、耐磨、耐腐蚀等特点，但其回火脆性极大。若考虑在铬钢中加入0.15〜0.25%的钼制成铬钼钢，不仅可以提高钢的强度和韧性，而且可以进一步提高钢的淬透性和回火稳定性，克服回火脆性。钼作为超高强度钢中重要的添加金属，在提高钢的强度极限方面有着让人瞠目的奇异作用。含钼超高强度钢的强度极限值可达1500MPa以上，有的甚至高达2000MPa以上。目前，在国外钼系高速钢已逐渐取代钨系高速钢。近年来，钼钨系高速钢的使用在我国也越来越多，特别是在航空航天工业和原子能工业上，钼系合金钢正发挥着日益重要的作用。可以预料，随着国民经济和科学技术的发展，我国钼的生产，钼系合金的开发及消费将呈稳定增长势头。五、 含硼合金奥妙多人们很早就知道，在一定的淬火条件下，钢件的淬透性主要取决于钢的成分。如果想要提高钢的淬透性，通常在炼钢时往钢液中加入一定量的镍、铬、铜等合金元素。我们知道，以上这些元素价格昂贵，资源稀缺，难以在大量使用的结构钢中广泛采用。本世纪三十年代，人们在炼钢时发现了一种奇特现象：在不加入上述那些贵重元素的情况下，只要使用某种含铝、钛、硅的复合脱氧合金给钢脱氧，也练出来的钢的淬透性有时会明显提高。但人们经研究后发现，铝、钛、硅这些元素本身并没有这种明显的效应。实践的需要提出了课题。人们经过反复的分析和实验，发现这些脱氧剂除含上述元素外，还含有极微量的硼。尽管对整炉钢来说，硼的加入量或许仅为十万分之一；但只要有这么一点硼，其提高钢的淬透性的作用相当于加入2.4%的镍、0.45%的铬或0.35%的钼。但是，某些事实也一直困惑着研究人员。人们在实践中发现，每次向钢水中加入同量的硼，效果却不尽相同。有的产品淬透性好，有的一般，有的好像根本没加过硼，甚至还有少量的钢加硼后性能反而下降。六十年代至七十年代，科技人员对硼在钢中的作用机理进行了大量的基础性研究工作，终于弄清楚了一些事实：虽然钢中加入的硼极少，但仍非所有的硼都起到了良好的作用，实际有效的硼是加热时钢中的酸溶硼量。只要在工艺控制上能够提供稳定的一定量的酸溶硼，就可以基本保证钢的淬透性的稳定。我们知道，钢中酸溶硼的稳定性主要取决于钢液中氧和氮的含量，因此我们也就可以在生产中找到工艺控制条件，从而获得最佳硼效应得方法和手段。继而，科技人员又通过实践验证了一些事实：什么时候硼能起作用，什么情况下虽然有硼但无法发挥其效应。近年来，人们通过深入的研究，认识到微量的硼与铌及钛等元素有强烈的综合作用。在现代炼钢及连铸条件下，在低碳纯净的钢中，联合加入微量的硼与铌（或钛）就既能保证刚才的高强度，同时又能稳定发挥硼提高淬透性的效应。因此硼钢从原来的主要属于机械制造调质钢范围很快进入到大规模生产的微合金化钢的领域。六、 钛、铌合金竞风流1791年，英国牧师格雷戈尔在对其教区内的一种黑矿砂进行化学分析时，直觉地认为，黑矿砂中含有一种以往未发现的新元素。遗憾的是格雷戈尔牧师未能就自己的发现进行更深入的研究，以致错过了一次对新元素的命名。1795年，奥地利科学家克拉普罗特在研究匈牙利布尼克地区的金红石时，认识到它是一种新金属的氧化物。当时克拉普罗特借用希腊神话中大地的第一代儿子太旦神族Titans命名这种金属为Titanium（钛），元素符号定为Ti。钛是一种银白色轻金属，密度为4.5g/cm3。钛在自然界分布极广，在地壳中的含量居第九位。自从格雷戈尔发现钛到本世纪初的100多年的时间里，人们一直为得到纯净的钛而孜孜以求。直到1910年，美国人亨特才用钠还原四氯化钛制得较纯净的钛；1932年，卢森堡科学家克罗尔用钙还原四氯化钛制得金属钛；1940年，又在氯气保护下用镁还原四氯化钛制成钛一此法为工业制钛奠定了基础，也使得钛在今天能够被称为继铁、铝之后“崛起的第三金属”，在军事工业和民用工业中得到广泛的应用。钛的密度较低，比强度（抗拉强度/密度）高，中温强度好，可在450〜500°C下长期工作，是当代飞机最重要的结构材料之一。美国军用飞机钛合金用量在第四代战斗机如F—14、F-15上高达40%以上。美国著名的SR-71高空侦察机更是几乎全身都是钛及其合金制造的，被称为全钛飞机。因此，钛及其合金又有“空间金属”之称。钛及其合金具有无磁性及良好的抗海水腐蚀性能。因此，它成为制造攻击性战略潜艇的首选材料。前苏联的“阿尔法”潜艇有一个双层的钛合金艇身，是当今潜水最深的潜艇，能下潜915米，而普通钢结构潜艇的最大潜水深度只有610米。同时，以往专门用来搜捕常规钢潜艇的磁性探测仪对它也显得无可奈何。钛及其合金的综合性能与不锈钢相当，但重量几乎轻一半；钛及其合金对生物组织及体液有良好的相容性，是一种亲生物金属。钛制得手术器械很受外科医生的亲睐；钛还用于制造骨骼螺钉、上下颚移植件、人工关节、牙齿矫正支架等。钛及合金与人类的日常生活也息息相关。日本尼康相机率先采用钛合金制造相机机身，使得相机既灵巧又坚实耐用；体育用品商店里用钛合金制造的自行车、网球拍、滑水板、高尔夫球杆让体育爱好者爱不释手；珠宝商行光彩夺目造型别致款式新颖的饰品常令爱美的女性流连忘返。钛还和铌应用于制造无间隙原子钢（亦称超深冲钢）。在无间隙原子钢中，碳和氮要控制在小于或等于0.003%。为了完全固定钢中的碳和氮间隙原子形成碳氮化物，最有效的方法就是向超低碳钢中添加超过化学计量的铌和钛。无间隙原子钢具有极优的耐深冲性能，主要应用于汽车工业特别是轿车工业。目前世界上无间隙原子钢的年产量为700万吨，基本上完全为西方世界所拥有。我国无间隙原子钢的开发和研制起步较晚，但近几年取得了很大的进展。国产的无间隙原子钢已试炼成功，为批量生产无间隙原子钢薄板创造了有利条件。七、稀土合金成新宠我们通常称钪、钮及铜系元素为稀土元素或稀土金属。纯净的稀土金属都具有银色光泽，性质较软，再潮湿空气中不易保存，易溶于稀酸，原子价以正三价居多（铈正四价较稳定，错和铽也有极个别的四价氧化物，钐、铕、镱有二价化合物）。稀土元素与氧和硫的亲和力大，脱出钢中的氧和硫的能力比铝、钛、错更强，而且凝固时稀土硫化物呈球状分布，使得钢的热加工性能得到改善。我国是稀土资源及其丰富的国家，业已探明的储量居世界首位。七十年代末，我国又发现了特有的一种极易提取得离子吸附型稀土矿床。稀土元素的化学性质除钪的差异较显著外，其余都十分相似，稀土元素通常共生在一起，生成稀土矿物。从稀土矿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几个步骤：富集、精选出品位较高的精矿；分解稀土精矿；用水或酸溶液从分解后的精矿中浸出稀土元素；分离稀土元素与杂质元素得到较纯净的稀土氯化物或氧化物；用溶剂萃取法或离子交换法从稀土氯化物或氧化物中分离出单一的稀土元素。稀土元素通常与铁、铝、镁、领、硅、镍、钛、钒、铌、铬等