第三講材料的制備方法金屬材料制備-資料下載頁

　　

【正文】 蘇聯時期在冶金和機械制造工業中得到了廣泛的應用。近些年其中最著名的一個成果就是帶有高速鋼表面層的軋機復合軋輥的制造，其壽命比普通的生鐵軋輥高五倍多。其基本的工藝路線是電渣熔焊 液態金屬添加。該工藝在烏克蘭“新克拉瑪托夫斯克機械廠”已經得以實現。 ? 研究室開發出基于電渣重熔方法制造復合坯料的新工藝，這種新的流程能夠將化學成分相差很大的不同材料復合在一起，并保證各層之間高質量的熔融，和最小稀釋度。新工藝實現了工具鋼 碳鋼、含鎳高溫合金 碳鋼、銅 鋼復合雙金屬鋼錠的生產。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 Scheme of electroslag melting of Ti sponge Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 Macrostructure of ESS LM HSS Roll billet 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 D 740mm Macrostructure of ESS LM HSS Roll billet 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 (x 100) Core Clad layer Transition zone at HSS roll 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 ? 冶煉金屬的方法很多，其實質是用還原的方法，由于金屬的化學活動性不同，金屬離子得到電子還原成金屬原子的能力也不同，因此就必須采取不同的冶煉方法。工業上冶煉金屬一般用熱分解法、熱還原法或電解法。現簡單介紹如下 冶煉金屬的方法 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 1．熱分解法 ? 有些不活潑金屬僅用熱分解法就能制得。在金屬活動性順序中，位于氫后面的金屬的氧化物受熱就能分解，例如： ? 2HgO = 2Hg＋ O2↑ ? 2Ag2O = 4Ag＋ O2↑ 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 2．熱還原法 ? 多數金屬的冶煉過程屬于熱還原法。常用的還原劑有焦炭、一氧化碳、氫氣和活潑金屬等，例如： ? MgO＋ C = Mg＋ CO↑ Fe2O3＋ 3CO = 2Fe＋ 3CO2 ? WO3＋ 3H2 = W＋ 3H2O Cr2O3＋ 2Al==2Cr＋ Al2O3 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 3．電解法 ? 在金屬活動性順序中，鉀、鈉、鈣、鋁等幾種金屬的還原性很強，這些金屬都很容易失去電子，因此不能用一般的方法和還原劑使其從化合物中還原出來，而只能用通電分解其熔融鹽或氧化物的方法來冶煉。 ? 2Al2O3 = 4Al＋ 3O2↑ 2NaCl = 2Na＋ Cl2↑ ? 對于某些不活潑金屬，如銅、銀等，也常用電解其鹽溶液的方法進行精煉，但電解法要消耗大量電能，成本較高。 二、鋼鐵冶煉 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 鋁突出的化學性質（親氧性） （ 1） 接觸空氣或氧氣 形成一層致密的氧化膜 ， 覆蓋阻止內層鋁被氧化； 鋁不溶于水和酸 、 在空氣中或水中穩定 。 三、有色金屬的生產 1. 金屬鋁的冶煉 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 （ 2） 放入汞鹽 形成鋁汞鹽 ]， 在潮濕的空氣中即長出胡須狀的 “ 白毛 ” 立即放出大量的熱 ， 投入水中 ， 放出 H2。 3HgCl2+2Al=2AlCl3+Hg， Al+Hg=Al(Hg) Hg占據 Al表面 ， 使 Al疏松 4Al(Hg)+3O2+2XH2O →2Al2O3?XH2O (白毛 )+ (Hg) 2Al(Hg)+6 H2O →2Al(OH)3↓+3H2↑+ (Hg) 三、有色金屬的生產 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 （ 3） 鋁熱法的基本原理 ： 2Al + 3/2 O2 = Al2O3 ΔfH248。= 氧化物 CaO MgO NiO Cr2O3 SiO2 Fe2O3 ΔfH248。 /kJ?mol1 245 1129 2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe ΔrH0 () 溫度可達 3273K， 使鐵熔化 ， 焊熱鐵軌 ， 冶金上冶煉 Ni、 Cr、Mn、 V等難熔金屬 。 三、有色金屬的生產 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 （ 4） 兩性 ① 高純鋁 (%)不與一般酸作用 ， 只溶于王水； ② 普通鋁能被冷濃硫酸或濃 、 稀硝酸所鈍化； ③ 2Al+6H2SO4=3Al2(SO4)3+SO2↑+6H2O； ④ Al2O Al(OH)3具兩性 。 三、有色金屬的生產 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 金屬鋁的冶煉 HellHeroult法 1886年美國霍爾 、 法國厄魯爾 （ 兩人均出生在 1863年 ， 死于 1914年 ，發明時 22歲 ） 分別申請了冰晶石 氧化鋁熔鹽電解法的專利 ， 該法的工藝流程主要包括：氧化鋁的制備 、 電極生產 、 冰晶石及其氟化鹽的生產以及電解煉鋁幾大部分 。 分兩步進行： 1．從鋁釩土中提取 Al2O3 Al2O3+2NaOH+3H2O=2Na[Al(OH)4] 2Na[Al(OH)4]+2CO2 = Al(OH)3↓+Na2CO3+H2O Al(OH)3 = Al2O3+ 3H2O 有色金屬的生產 有色金屬的生產 三、有色金屬的生產 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 CaO 鋁土礦 浸 漬 加熱 NaOH 蒸 發 加熱 沉 淀 冷卻 澄 清 晶種 水 洗 泥 紅泥 ? Al(OH)3 洗 滌 水 煅 燒 ?Al2O3 三、有色金屬的生產 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 金屬鋁的生產車間 金屬鋁電解池 2．電解 Al2O3得 Al 電解質： Al2O3 ,2%8%冰晶石 Na2AlF6 10%CaF2作助熔劑，降低電解質的溶融溫度(Al2O3bp2273K, 電解質 bp11731273K) ?陰極（鐵質槽殼） :4Al3+ + 12e = 4Al（沉淀于槽底，定時放出） ?陽極（石墨） :6O2 12e = 3O2 三、有色金屬的生產 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 金屬鋁的生產車間 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 鋁的生產流程示意圖 純冰晶石 鋁 錠 螢 石 鋁 礦 石 生產氧化鋁 純氧化鋁 電 解 制 鋁 碳素材料 陽 極 糊 或 其 它 產 品 電極生產 選 礦 再熔或精煉 電 能 生產冰晶石 或 氟 化 物 三、有色金屬的生產 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 Al3＋ ＋ 3e → Al AlO33 6e → Al2O3 礦石（ Al2O3） NaAlO2 Al2O3?Na2O Al（ OH） 3 Al2O3 Al 礦石（ Al2O3） NaAlO2 Al（ OH） 3 NaOH NaOH Na2CO3 煅燒 950~1000℃ 165 ℃ 1100 ℃ CO2 900 ℃ 三、有色金屬的生產 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 金屬鎂及其合金具有密度小 、 比強度和比剛度高 、 導電導熱性能較好 、阻尼減震和電磁屏蔽性能良好 、 易于加工成型 、 廢料容易回收等優點 ， 廣泛應用于航天航空 、 交通運輸 、 電子技術 、 光學器材 、 精密機械 、 日用商品等領域 。 由此鎂及鎂合金獲得 “ 21世紀的綠色工程材料 ” 的美譽 。 鎂合金制造的汽車零部件 ， 可減輕汽車自重 、 提高燃料利用率 、 減少環境污染；采用鎂合金制造飛機 、 導彈 、 飛船 、 衛星 、 輕武器等重要武器裝備零部件 ， 意味著武器射程 、 命中率和飛行器機動性能的提高 ， 航天器發射成本的降低；鎂合金用于制造手機 、 筆記本電腦和數碼相機等數字產品的外殼 ,具有強度高 、 美觀及電磁屏蔽等優點 。 2. 金屬鎂的冶煉 三、有色金屬的生產 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 皮江法制鎂原理 皮江法是 1940年左右發展起來的一種煉鎂方法 ， 原料是白云石和硅鐵 ， 往細磨的原料中添加 %的螢石 ， 經混合后壓成堅實的團塊 。 三、有色金屬的生產 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 生產方式為間歇式的 ， 可分為 3個步驟 （ 1） 預熱期：裝料后 ， 預熱爐料 ， 排除爐料中的二氧化碳與水分 。 （ 2） 低真空加熱期：蓋上蒸餾罐的蓋子 ， 在低真空條件下加熱 。 （ 3） 高真空加熱期：罐內真空度保持 ~， 溫度達 1200℃左右 ， 由于外面水箱的冷卻作用 ， 鋼套的溫度大約 250℃ ， 鎂蒸氣冷凝在鋼罐中的鋼套上 。 最終 ， 切斷真空 ， 將蓋子打開 ， 取出冷凝著鎂的鋼套 。 蒸餾后的殘余物為二鈣硅酸鹽渣和鐵 。 三、有色金屬的生產 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 ●物理性質和用途 —— 高熔點，輕，抗腐蝕，承受超低溫 廣泛應用于航天飛機、火箭、導彈、潛艇、輪船和化工設備，制備盛放液氮和液氧的器皿 —— 有生物相容性 接骨和人工關節，譽為“生物金屬” —— 氫反應形成氫化物，作為 儲氫材料 3. 金屬鈦的冶煉 三、有色金屬的生產 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 ● 化學性質 —— 鈦標準電極電勢為 ， 在空氣中迅速與氧生成致密的氧化物膜而鈍化 ， 其在室溫下不與水 、 稀酸和堿反應 —— 鈦能生成配合物 TiF62而可溶于氫氟酸或酸性氟化物溶液 Ti + 6HF = TiF62 + 2H+ + 2H2 —— 鈦能溶于熱的濃鹽酸，生成綠色的 TiCl36H2O 2Ti + 6HCl = 2TiCl3 +3H2 三、有色金屬的生產 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 —— 鈦在高溫下可與碳 、 氮 、 硼反應生成碳化鈦 TiC、 氮化鈦 TiN和硼化鈦 TiB。 它們硬 、 難熔 、 穩定 ， 成為金屬陶瓷 ，氮化鈦為青銅色 ， 涂層能仿金 。 鈦與氫反應形成一類非整比的氫化物 ， 可作為儲氫材料 。 鈦與氧反應生成 TiO2 TiO2 TiC TiN ~TiO2 TiB TiCl4 Ti 三、有色金屬的生產 Northeastern University 第一節 金屬材料的制備 —— 冶金 TiCl4的金屬熱還原法 ?? 將 TiO2或天然金紅石和碳粉混合加熱至 1000K?1100K，進行氯化處理制備 TiCl4， 氯化反應不能直接由 TiO2氯化制得 ， 必須有碳