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国邦钢业

工业用特种合金主要分类

发布日期:2011-2-1 14:44:47 访问次数:

常将两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成具有金属特性的物质叫做合金

(1)耐蚀合金 

 

   金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力,称金属的耐蚀性。纯金属中耐蚀性高的通常具备下述三个条件之一:

  ①热力学稳定性高的金属。通常可用其标准电极电势来判断,其数值较正者稳定性较高;较负者则稳定性较低。耐蚀性好的贵金属,如Pt、Au、Ag、Cu等就属于这一类。

  ②易于钝化的金属。不少金属可在氧化性介质中形成具有保护作用的致密氧化膜,这种现象称为钝化。金属中最容易钝化的是Ti、ZrTaNb、Cr和Al等。

  ③表面能生成难溶的和保护性能良好的腐蚀产物膜的金属。这种情况只有在金属处于特定的腐蚀介质中才出现,例如,Pb和Al在H2SO4溶液中,Fe在H3PO4溶液中,Mo在盐酸中以及Zn在大气中等。

  因此,工业上根据上述原理,采用合金化方法获得一系列耐蚀合金,一般有相应的三种方法:

  ①提高金属或合金的热力学稳定性,即向原不耐蚀的金属或合金中加入热力学稳定性高的合金元素,使形成固溶体以及提高合金的电极电势,增强其耐蚀性。例如在Cu中加Au,在Ni中加入Cu、Cr等,即属此类。不过这种大量加入贵金属的办法,在工业结构材料中的应用是有限的。

  ②加入易钝化合金元素,如Cr、Ni、Mo等,可提高基体金属的耐蚀性。在钢中加入适量的Cr,即可制得铬系不锈钢。实验证明,在不锈钢中,含Cr量一般应大于13%时才能起抗蚀作用,Cr含量越高,其耐蚀性越好。这类不锈钢在氧化介质中有很好的抗蚀性,但在非氧化性介质如稀硫酸和盐酸中,耐蚀性较差。这是因为非氧化性酸不易使合金生成氧化膜,同时对氧化膜还有溶解作用。

  ③加入能促使合金表面生成致密的腐蚀产物保护膜的合金元素,是制取耐蚀合金的又一途径。例如,钢能耐大气腐蚀是由于其表面形成结构致密的化合物羟基氧化铁[FeOx?(OH)23-2x],它能起保护作用。钢中加入Cu与P或P与Cr均可促进这种保护膜的生成,由此可用Cu、P或P、Cr制成耐大气腐蚀的低合金钢

  金属腐蚀是工业上危害最大的自发过程,因此耐蚀合金的开发与应用,有重大的社会意义和经济价值。

(2)耐热合金又称高温合金 

  

   耐热合金合金又称高温合金,它对于在高温条件下的工业部门和应用技术领域有着重大的意义。

  一般说,金属材料的熔点越高,其可使用的温度限度越高。这是因为随着温度的升高,金属材料的机械性能显著下降,氧化腐蚀的趋势相应增大,因此,一般的金属材料都只能在500 ℃~600 ℃下长期工作。能在高于700 ℃的高温下工作的金属通称耐热合金。“耐热”是指其在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性。

  提高钢铁抗氧化性的途径有两条:一是在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素,或者在钢的表面进行Cr、Si、Al合金化处理。它们在氧化性气氛中可很快生成一层致密的氧化膜,并牢固地附在钢的表面,从而有效地阻止氧化的继续进行。二是用各种方法在钢铁表面形成高熔点的氧化物碳化物氮化物等耐高温涂层。

  提高钢铁高温强度的方法很多,从结构、性质的化学观点看,大致有两种主要方法:

  一是增加钢中原子间在高温下的结合力。研究指出,金属中结合力,即金属键强度大小,主要与原子中未成对的电子数有关。从周期表中看,ⅥB元素金属键在同一周期内最强。因此,在钢中加入Cr、Mo、W等原子的效果最佳。

  二是加入能形成各种碳化物或金属间化合物的元素,以使钢基体强化。由若干过渡金属与碳原子生成的碳化物属于间隙化合物,它们在金属键的基础上,又增加了共价键的成分,因此硬度极大,熔点很高。例如,加入W、Mo、V、Nb可生成WC、W2C、MoC、Mo2C、VC、NbC等碳化物,从而增加了钢铁的高温强度。

  利用合金方法,除铁基耐热合金外,还可制得镍基、钼基、铌基和钨基耐热合金,它们在高温下具有良好的机械性能和化学稳定性。其中镍基合金是最优的超耐热金属材料,组织中基体是Ni?Cr?Co的固溶体和Ni3Al金属化合物,经处理后,其使用温度可达1 000 ℃~1 100 ℃。

(3)钛合金  

 

   是周期表中第IVB类元素,外观似钢,熔点达1 672 ℃,属难熔金属。钛在地壳中含量较丰富,远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属。我国钛的资源极为丰富,仅四川攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中,伴生钛金属储量约达4.2亿吨,接近国外探明钛储量的总和。

  纯钛机械性能强,可塑性好,易于加工,如有杂质,特别是O、N、C 提高钛的强度和硬度,但会降低其塑性,增加脆性。

  钛是容易钝化的金属,且在含氧环境中,其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合。因此 干腐蚀介质都是稳定的。钛和钛合金有优异的耐蚀性,只能被氢氟酸 浓度的 侵蚀。特别是 稳定,将钛或钛合金放 取出后,仍光亮如初,远优于不锈钢。

  钛的另一重要特性是密度小。其强度是不锈钢的3.5倍,铝合金的1.3倍,是目前所有工业金属材料中最高的。

  液态的钛几乎能溶解所有的金属,形成固溶体或金属化合物等各种合金。合金元素如Al、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入,可改善钛的性能,以适应不同部门的需要。例如,Ti-Al-Sn合金有很高的热稳定性,可在相当高的温度下长时间工作;以Ti-Al-V合金为代表的超塑性合金,可以50%~150%地伸长加工成型,其最大伸长可达到2 000%。而一般合金的塑性加工的伸长率最大不超过30%。

  由于上述优异性能,钛享有“未来的金属”的美称。钛合金已广泛用于国民经济各部门,它是火箭导弹航天飞机不可缺少的材料。船舶、化工电子器件通讯设备以及若干轻工业部门中要大量应用钛合金,只是目前钛的价格较昂贵,限制了它的广泛使用。

(4)磁性合金 

  

   材料在外加磁场中,可表现出三种情况:①不被磁场所吸引的,叫反磁性材料;②微弱地被磁场所吸引的,叫顺磁性材料;③强烈地被磁场吸引的,称铁磁性材料,其磁性随外磁场的加强而急剧增高,并在外磁场移走后,仍能保留磁性。金属材料中,大多数过渡金属具有顺磁性;只有FeCo、Ni等少数金属是铁磁性的。

  金属中组成永磁材料的主要元素是Fe、Co、Ni和某些稀土元素。目前使用的永磁合金有稀土钴系、铁铬钴系和锰铝碳系合金。

  磁性合金电力电子计算机自动控制和电光学等新兴技术领域中,有着日益广泛的应用。

(5)钾钠合金 

  

    [英] Sodium Potaddium Al

  [别]钠钾合金 [缩]JNHJ

  【化学结构】 4K-Na

  【化学特性】

  银色的软质固体或液体. 遇酸、二氧化碳、潮气及水发生剧烈反应, 放出氢气, 立即自燃, 有时甚至会爆炸. 密度: 0.847克/毫升(100℃) (K78%,Na22%); 0.886克/毫升(100℃)(K56%,Na44%) 熔点: -11℃(K78%,Na22%); 19℃(K56%, Na44%);

  【极限参数】 沸点: 784℃(K78%,Na22%); 825℃(K56%, Na44%);

  【应用】液态金属核反应堆用的冷却剂是钠钾合金,常温下液态。

  钠钾合金的熔点

  钠 钾 熔点

  20% 80% -10 ℃

  22% 78% -11 ℃

  24% 76% -3.5 ℃

  40% 60% 5 ℃

几种新型合金,随着科技的发展,新型合金的种类日益增多,这里介绍主要的几种:

(1)轻质合金

  铝锂合金具有高比强度(断裂强度/密度)、高比刚度且相对密度小的特点,如用作现代飞机蒙皮材料,一架大型客机可减轻重量50 kg。以波音747为例,每减轻1 kg,一年可获利2 000美元。钛合金比钢轻、耐腐蚀、无磁性、强度高,是用于航空和舰艇的理想材料。

(2)储氢合金

  由于石油和煤炭的储量有限,而且在使用过程中会带来环境污染等问题,尤其是20世纪70年代全球石油危机,使氢能作为新的清洁燃料成为研究热点。在氢能利用过程中,氢的储运是重要环节。1969年荷兰飞利浦公司研制出LaNi5储氢合金,具有大量的可逆地吸收、释放氢气的性质,其合金氢化物LaNi5H6中氢的密度与液态氢相当,约为氢气密度的1 000倍。

  储氢合金是由两种特定金属构成的合金,其中一种可以大量吸氢,形成稳定的氢化物,而另一种金属虽然与氢的亲和力小,但氢很容易在其中移动。Mg、Ca、Ti、Zr、Y和La等属于第一种金属,Fe、Co、Ni、Cr、Cu和Zn等属于第二种金属。前者控制储氢量,后者控制释放氢的可逆性。通过两者合理配制,调节合金的吸放氢性能,制得在室温下能够可逆吸放氢的较理想的储氢材料

(3)超耐热合金

  镍钴合金能耐1 200 ℃的高温,可用于喷气飞机和燃气轮机的构件。镍钴铁非磁性耐热合金在1 200 ℃时仍具有高强度、韧性好的特点,可用于航天飞机的部件和原子反应堆的控制棒等。寻找符合耐高温、可长时间运行(10 000 h以上)、耐腐蚀、高强度等要求的合金材料,仍是今后研究的方向。

(4)形状记忆合金

  它们具有高弹性、金属橡胶性能、高强度等特点,在较低温度下受力发生塑性变形后,经过加热,又恢复到受热前的形状。如Ni-Ti、Ag-Cd、Cu-Cd、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Zn等合金,可用于调节装置的弹性元件(如离合器、节流阀、控温元素等)、热引擎材料、医疗材料(牙齿矫正材料)等。

  形状记忆效应来源于一种热弹性马氏体相变。一般的马氏体相变作为钢的淬火强化的方法,就是把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间,然后迅速冷却,例如直接插入冷水中(称为淬火),这时钢转变为一种马氏体的结构,并使钢硬化。后来,在某些合金中发现了不同于上述的另一种所谓热弹性马氏体相变,热弹性马氏体一旦产生便可以随着温度降低继续长大。相反,当温度回升时,长大的马氏体又可以缩小,直至恢复到原来的状态,即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小。热弹性马氏体相变时随之伴有形状的变化。

  新型金属功能材料除上述几类以外,还有能降低噪音的减振合金;具有替代、增强和修复人体器官和组织的生物医学材料;具有在材料或结构中植入传感器、信号处理器、通信与控制器及执行器,使材料或结构具有自诊断、自适应,甚至损伤自愈合等智能功能与生命特征的智能材料等。

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