材料化学 课件 第九章 金属材料及制备2-1 金属材料的制备与热处理

高等材料化学第九章：金属材料及制备金属材料及制备一、金属材料概论金属材料概论金属材料的晶体结构铁-碳相图和钢铁材料二、金属材料的制备与热处理

金属矿物与冶炼金属材料的热处理金属的腐蚀与防护三、功能性金属材料功能合金材料

非晶金属材料

金属基复合材料四、金属材料工程案例(中铝集团陈少华博士)金属矿物与冶炼三则有关金属矿产的报道2022年8月3日，商务部新闻发言人就暂停天然砂对台湾地区出口时表示，根据相关法律规定，决定暂停天然砂对台湾地区出口，相关措施自2022年8月3日起实施。可能的影响：1.

九成建材市场受重创2.波及台湾芯片制造业2023年7月，商务部、海关总署发布了《关于对镓、锗相关物项实施出口管制的公告》。根据《中华人民共和国出口管制法》等有关规定，为维护国家安全和利益，经国务院批准，决定自2023年8月1日起对镓、锗相关物项实施出口管制。1996年中国钢产量普通一亿吨自然界金属的存在形式金属矿物与冶炼单质(少数，如金、铂和银)化合物(大多数，如各种铁矿石)

(能冶炼出金属的矿物叫作矿石)自然金自然铋常见的铁矿石含铁48.27%含铁46.67%含铁70%含铁72.4%黄铁矿(主要成分FeS2)菱铁矿(主要成分FeCO3)赤铁矿(主要成分Fe2O3)磁铁矿(主要成分Fe3O4)自然界金属的存在形式金属矿物与冶炼单质(少数，如金、铂和银)化合物(大多数，如各种铁矿石)

(能冶炼出金属的矿物叫作矿石)常见的铜矿石孔雀石Cu2(OH)2CO3赤铜矿(主要成分Cu2O)黄铜矿(主要成分CuFeS2)蓝铜矿Cu3(CO3)2(OH)2将金属元素从化合物转变成单质的方法(金属提炼)非常重要包括：金属的制备方法、精炼以及代表性合金的制备金属矿物与冶炼金属的冶炼老照片：1958年全民大炼钢铁古代炼铁图干将、莫邪？春秋战国时期的冶铁和炼钢金属的热分解制备金属矿物与冶炼热分解法：金属氧化物、碘化物、羰基化合物、氢化物等直接进行高温加热分解可制得纯金属。热分解法适用于不活泼金属的提炼，电极电势活性低于氢的不活泼金属氧化物仅通过加热就能制得。该方法还适用于合金的热分解制备。金属氧化物热分解法2HgO→2Hg+O22AgO→2Ag+O22PdO→2Pd+O2金属硫化物焙烧法MeS+O2→Me+SO2HgS+O2→Hg+SO2∆∆∆∆∆吉布斯自由能温度气氛(O2/SO2)金属的热还原制备金属矿物与冶炼CO、H2、C作还原剂还原金属氧化物，是最为常见的金属热还原制备方法金属热还原法：对于自由熔图中位置低的稳定性很高的氧化物，只能用位置比其更低的金属来还原。金属A(或其合金)作还原剂在高温下将另一种金属B的化合物还原以制取金属B(或其合金)。原理：利用自由焓低的金属还原自由焓相对较高的金属氧化物。金属热还原通常是按还原剂来命名。

用铝作还原剂生产金属铬，称为铝热法。

用硅铁作还原剂冶炼钒铁，称为硅热法。Al+Fe2O3

→Fe+Al2O3(Fe3O4、V2O5、Cr2O3等)金属热还原法即可在大气压下进行，也可在真空环境中进行。铝热反应金属的热还原制备金属矿物与冶炼

Ar气氛，1个大气压下温度对金属热还原反应的影响

压力对金属热还原温度的影响×105金属的电解制备金属矿物与冶炼

电解池示意图氯化钠在熔融状态（804℃）下电解:

阴极：阳极：金属的精炼金属矿物与冶炼由火法炼制的金属粗品一般含有0.2%-1%的杂质，这些杂质会对其物理性质(如延展性和导电性等)有很大影响，因此需要将粗产物进一步提纯，以满足工业要求(通常纯度要达到99.95%以上)。电解精炼还可以回收粗产物中的微量金属如金、银、铂、钴、镍、碲、硒等，是一种综合利用资源的好方法。硅锭(冶炼级工业硅98~99%)2020年全球工业硅产能占比2018~2022年硅晶圆产能(万片/月)高纯单晶硅棒多晶硅棒99.9999%合金制备金属矿物与冶炼合金是由两种或两种以上的金属与金属或非金属经过特定的方法所合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体后凝固而得，具有比单一金属更优良的性能，其性质与化学组成和内部结构有密切关系。低共熔混合物

焊锡(181oC)：锡(232oC)、铅(327oC)的低共熔合金金属固熔体

两种或多种金属在凝固时也能保持互溶状态，保持溶剂

金属的晶格类型。分为缺位固溶体、置换固溶体和间隙固溶体。金属间化合物Bi-Cd体系的相图价电子数/原子数晶格类型分子式3/2或21/14体心立方晶体CuZn21/13复杂立方晶体Cu3Zn3