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金属是具有光泽、有良好的导电性、导热性与机械性能,并具有正的电阻温度系数的物质。金属,是个大家庭,现在世界上有86种金属。通常人们根据金属的颜色和性质等特征,将金属分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属主要指铁及其合金,如钢、生铁、铁合金、铸铁等。黑色金属以外的金属称为有色金属。
黑色金属材料乃工业上对铁、铬和锰的统称。亦包括这三种金属的合金,尤其是合金黑色金属钢及钢铁。与黑色金属相对的是有色金属。事实上纯净的铁及铬是银白色的,而锰是银灰色。由于钢铁表面通常覆盖一层黑色的四氧化三铁,而锰及铬主要应用于冶炼黑色的合金钢。所以才会被“错误分类”为黑色金属。
黑色金属的分类也有其意义,因为这三种金属都是冶炼钢铁的主要原料,而钢铁在国民经济中占有较其重要的地位,亦是衡量一国家国力的重要标志。黑色金属的产量约占世界金属总产量的95%。
黑色金属和有色金属这名字,常常使人误会,以为黑色金属一定是黑的,其实不然。黑色金属只有五种:铁、锰、铬、钒、钛。而它们五个都不是黑色的。纯铁是银白色的;铬是银白色的;锰是灰白色的。因为铁的表面常常生锈,盖着一层黑色的四氧化三铁与棕褐色的氧化铁的混合物,看去就是黑色的。所以人们称之为“黑色金属”。常说的“黑色冶金工业”,主要是指钢铁工业。因为常见的合金钢是锰钢与铬钢,这样,人们把锰与铬也算成是“黑色金属”了。除了铁、锰、铬、钒、钛以外,其他的金属,都算是有色金属。
轻金属是相对密度小于5的金属,其中又分为有色轻金属和稀有轻金属两类。有色轻金属有铝、镁、钙、钛、钾、锶、钡等,**种在工业上多用作还原剂,铝、镁、钛及其合金相对密度较小,强度较高,抗蚀性较强,广泛用于飞机制造和宇航等工业部门。稀有轻金属有锂、铍、铷、铯等,铍主要用于配制铍青铜,由于铍的热中子俘获截面小,又可用作原子核反应堆的结构材料。锂用作金属冶炼时的脱氧剂和除气剂,并作为热核反应材料。
轻金属**,铝、镁的地壳丰度均居**,远**过常用重有色金属。且与重有色金属仅有单一类矿物资源的情况不同,除铝外,其余的轻金属大都拥有矿物和卤水(海水及盐湖卤水、地下卤水等)两类资源。
轻金属工业矿物亦与以硫化矿为主的重有色金属工业矿物不同,前者基本均为氧化矿,主要有硅酸盐(铝土矿、霞石)、碳酸盐(菱镁矿、白云石、石灰石)、硫酸盐(明矾石、芒硝、石膏、天青石、重晶石)和磷酸盐(磷灰石)等,也有部分矿物为氯化物(食盐、钾盐、光卤石)和氟化物 (萤石)。
轻金属矿物中含有的共生有价金属,在铝工业生产中已开展综合利用工作。如铝土矿中的镓、钒,霞石矿中的钠、钾等均已开始作为副产回收。而在卤水资源中,一般均含有钠、钾、钙、镁、硼、锂、铷、铯等多种元素,综合回收这些元素尤为重要。在以卤水为资源的工业生产中,多种轻金属实际上均为综合利用的产物。
高品位轻金属矿物可在经破碎处理后直接用于冶炼,低品位轻金属矿物或者只适用于特定的方法直接进行冶炼,或者需先经选矿富集。
以卤水作为原料时,一般须**行蒸发浓缩,然后分阶段提取各个金属盐类的富集物。如盐湖卤水经日晒蒸发后,顺次结晶析出氯化钠,钾石盐、光卤石及水氯镁石,可分别作为提取钠、钾、镁盐的原料。
工业纯铁是钢的一种,其化学成分主要是铁,杂质总含量<0.2%及含碳量在0.02%~0.04%的纯铁。含碳量不**过0.0218%的纯铁,亦称锭铁。纯度可达99.8%~99.9%,低于电解铁,故其强度、硬度、弹性系数均比电解铁高,但塑性则较低。工业纯铁用平炉生产,氧化期特长,以除去碳等杂质,故成本很高。
工业纯铁是钢的一种,其化学成分主要是铁,含量在99.50%-99.90%,含碳量在0.04%以下,其他元素愈少愈好。因为它实际上还不是真正的纯铁,所以称这一种接近于纯铁的钢为工业纯铁。一般工业纯铁质地特别软,韧性特别大,电磁性能很好。常见的有两种规格,一种是是作为深冲材料的,可以冲压成较复杂的形状;另一种是作为电磁材料的,有高的感磁性的低的抗磁性。
工业纯铁是用于冶炼精密合金、高温合金、**低碳不锈钢、电热合金等重要的原材料。
工业纯铁主要由电弧炉、氧气转炉、电弧炉加炉外真空脱碳、氧气转炉加炉外真空脱碳等方法生产。不同工艺生产的工业纯铁各具特点:
1.电弧炉纯铁的特点:是早生产纯铁的方法,含碳量为0.025%,含氮量较高,受石墨电极增碳的影响,不能生产更低含碳量的纯铁。
2.氧气转炉纯铁的特点:可以生产含碳量小于0.01%的低碳纯铁,但其含氧量高,含氮量较低,只能生产品质一般的工业纯铁。
3.电弧炉或氧气转炉与炉外精炼双联法生产高品质纯铁的特点:纯铁含碳量为0.005%,磷、硫、氧、氮以及非金属夹杂物含量低,是目前品质的纯铁,国内太钢、宝钢、武钢、抚钢等都可以生产高品质纯铁。
纳米金属材料是形成纳米晶粒的金属与合金。具有晶界比例,比表面能,表面原子比例大等特点。粒径由100nm降至5nm,颗粒表面能与总能量之比由0.8%增至14%,晶界比例由3%增至50%,表面原子的比例增至40%,2nm时增至80%。具有特异性能:纳米可提高燃烧效率;含1.8%C的钢,纳米晶断裂强度可达4800MPa。
纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体,也不同于长程无序、短程有序的“气体状”固体结构,是一种介于固体与分子间的亚稳中间态物质。因此,一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的“*三态晶体材料”。正是由于纳米材料这种特殊的结构,使纳米材料科学与技术之产生四大效应,即小尺寸效应、**效应(含宏观**隧道效应)、表面效应和界面效应,从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能,表现出*特的光学、电学、磁学、催化、化学特性和**导性能等特性,使纳米材料在*、电子、化工、冶金、轻工、航空、陶瓷、核技术、催化剂、医药等领域具有重要的应用价值。
由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对纳米颗粒而言,尺寸变小同时其比表面积**增加,从而产生一系列新奇的性质。例如米颗粒对光吸收**增加,与大尺寸固态物质相比纳米颗粒的熔点会**下降,例如,2nm的金属颗粒熔点为600K,随着粒径增加,熔点迅速上升,块状金属为1337K。还有,小尺寸的纳米颗粒磁性与大块材料有明显的区别。一般固体的热运动于晶格振动,固体本身并不运动。而对于纳米金属粒子,除了晶格振动以外,颗粒整体也振动,结果使纳米金属粒子比导体中的电子自由程小,其磁畴比强磁性物质的磁畴小,有时甚至小于磁畴,从而呈单磁畴结构。
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