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    國邦鋼業

    工業用特種合金主要分類

    發布日期:2011-2-1 14:44:47 訪問次數:

    常將兩種或兩種以上的金屬(或金屬與非金屬)熔合而成具有金屬特性的物質叫做合金。

    (1)耐蝕合金 

     

       金屬材料在腐蝕性介質中所具有的抵抗介質侵蝕的能力,稱金屬的耐蝕性。純金屬中耐蝕性高的通常具備下述三個條件之一:

     ?、?a target="_blank">熱力學穩定性高的金屬。通??捎闷錁藴孰姌O電勢來判斷,其數值較正者穩定性較高;較負者則穩定性較低。耐蝕性好的貴金屬,如Pt、Au、Ag、Cu等就屬于這一類。

     ?、谝子?a target="_blank">鈍化的金屬。不少金屬可在氧化性介質中形成具有保護作用的致密氧化膜,這種現象稱為鈍化。金屬中最容易鈍化的是Ti、Zr、Ta、Nb、Cr和Al等。

     ?、郾砻婺苌呻y溶的和保護性能良好的腐蝕產物膜的金屬。這種情況只有在金屬處于特定的腐蝕介質中才出現,例如,Pb和Al在H2SO4溶液中,Fe在H3PO4溶液中,Mo在鹽酸中以及Zn在大氣中等。

      因此,工業上根據上述原理,采用合金化方法獲得一系列耐蝕合金,一般有相應的三種方法:

     ?、偬岣呓饘倩蚝辖鸬臒崃W穩定性,即向原不耐蝕的金屬或合金中加入熱力學穩定性高的合金元素,使形成固溶體以及提高合金的電極電勢,增強其耐蝕性。例如在Cu中加Au,在Ni中加入Cu、Cr等,即屬此類。不過這種大量加入貴金屬的辦法,在工業結構材料中的應用是有限的。

     ?、诩尤胍租g化合金元素,如Cr、Ni、Mo等,可提高基體金屬的耐蝕性。在鋼中加入適量的Cr,即可制得鉻系不銹鋼。實驗證明,在不銹鋼中,含Cr量一般應大于13%時才能起抗蝕作用,Cr含量越高,其耐蝕性越好。這類不銹鋼在氧化介質中有很好的抗蝕性,但在非氧化性介質如稀硫酸和鹽酸中,耐蝕性較差。這是因為非氧化性酸不易使合金生成氧化膜,同時對氧化膜還有溶解作用。

     ?、奂尤肽艽偈购辖鸨砻嫔芍旅艿母g產物保護膜的合金元素,是制取耐蝕合金的又一途徑。例如,鋼能耐大氣腐蝕是由于其表面形成結構致密的化合物羥基氧化鐵[FeOx?(OH)23-2x],它能起保護作用。鋼中加入Cu與P或P與Cr均可促進這種保護膜的生成,由此可用Cu、P或P、Cr制成耐大氣腐蝕的低合金鋼。

      金屬腐蝕是工業上危害最大的自發過程,因此耐蝕合金的開發與應用,有重大的社會意義和經濟價值。

    (2)耐熱合金又稱高溫合金 

      

       耐熱合金合金又稱高溫合金,它對于在高溫條件下的工業部門和應用技術領域有著重大的意義。

      一般說,金屬材料的熔點越高,其可使用的溫度限度越高。這是因為隨著溫度的升高,金屬材料的機械性能顯著下降,氧化腐蝕的趨勢相應增大,因此,一般的金屬材料都只能在500 ℃~600 ℃下長期工作。能在高于700 ℃的高溫下工作的金屬通稱耐熱合金?!?a target="_blank">耐熱”是指其在高溫下能保持足夠強度和良好的抗氧化性。

      提高鋼鐵抗氧化性的途徑有兩條:一是在鋼中加入Cr、Si、Al等合金元素,或者在鋼的表面進行Cr、Si、Al合金化處理。它們在氧化性氣氛中可很快生成一層致密的氧化膜,并牢固地附在鋼的表面,從而有效地阻止氧化的繼續進行。二是用各種方法在鋼鐵表面形成高熔點的氧化物、碳化物、氮化物等耐高溫涂層。

      提高鋼鐵高溫強度的方法很多,從結構、性質的化學觀點看,大致有兩種主要方法:

      一是增加鋼中原子間在高溫下的結合力。研究指出,金屬中結合力,即金屬鍵強度大小,主要與原子中未成對的電子數有關。從周期表中看,ⅥB元素金屬鍵在同一周期內最強。因此,在鋼中加入Cr、Mo、W等原子的效果最佳。

      二是加入能形成各種碳化物或金屬間化合物的元素,以使鋼基體強化。由若干過渡金屬與碳原子生成的碳化物屬于間隙化合物,它們在金屬鍵的基礎上,又增加了共價鍵的成分,因此硬度極大,熔點很高。例如,加入W、Mo、V、Nb可生成WC、W2C、MoC、Mo2C、VC、NbC等碳化物,從而增加了鋼鐵的高溫強度。

      利用合金方法,除鐵基耐熱合金外,還可制得鎳基、鉬基、鈮基和鎢基耐熱合金,它們在高溫下具有良好的機械性能和化學穩定性。其中鎳基合金是最優的超耐熱金屬材料,組織中基體是Ni?Cr?Co的固溶體和Ni3Al金屬化合物,經處理后,其使用溫度可達1 000 ℃~1 100 ℃。

    (3)鈦合金  

     

       是周期表中第IVB類元素,外觀似鋼,熔點達1 672 ℃,屬難熔金屬。鈦在地殼中含量較豐富,遠高于Cu、Zn、Sn、Pb等常見金屬。我國鈦的資源極為豐富,僅四川攀枝花地區發現的特大型釩鈦磁鐵礦中,伴生鈦金屬儲量約達4.2億噸,接近國外探明鈦儲量的總和。

      純鈦機械性能強,可塑性好,易于加工,如有雜質,特別是O、N、C 提高鈦的強度和硬度,但會降低其塑性,增加脆性。

      鈦是容易鈍化的金屬,且在含氧環境中,其鈍化膜在受到破壞后還能自行愈合。因此 干腐蝕介質都是穩定的。鈦和鈦合金有優異的耐蝕性,只能被氫氟酸 濃度的 侵蝕。特別是 穩定,將鈦或鈦合金放 取出后,仍光亮如初,遠優于不銹鋼。

      鈦的另一重要特性是密度小。其強度是不銹鋼的3.5倍,鋁合金的1.3倍,是目前所有工業金屬材料中最高的。

      液態的鈦幾乎能溶解所有的金屬,形成固溶體或金屬化合物等各種合金。合金元素如Al、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入,可改善鈦的性能,以適應不同部門的需要。例如,Ti-Al-Sn合金有很高的熱穩定性,可在相當高的溫度下長時間工作;以Ti-Al-V合金為代表的超塑性合金,可以50%~150%地伸長加工成型,其最大伸長可達到2 000%。而一般合金的塑性加工的伸長率最大不超過30%。

      由于上述優異性能,鈦享有“未來的金屬”的美稱。鈦合金已廣泛用于國民經濟各部門,它是火箭、導彈航天飛機不可缺少的材料。船舶、化工、電子器件通訊設備以及若干輕工業部門中要大量應用鈦合金,只是目前鈦的價格較昂貴,限制了它的廣泛使用。

    (4)磁性合金 

      

       材料在外加磁場中,可表現出三種情況:①不被磁場所吸引的,叫反磁性材料;②微弱地被磁場所吸引的,叫順磁性材料;③強烈地被磁場吸引的,稱鐵磁性材料,其磁性隨外磁場的加強而急劇增高,并在外磁場移走后,仍能保留磁性。金屬材料中,大多數過渡金屬具有順磁性;只有Fe、Co、Ni等少數金屬是鐵磁性的。

      金屬中組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鈷系、鐵鉻鈷系和錳鋁碳系合金。

      磁性合金電力、電子、計算機、自動控制和電光學等新興技術領域中,有著日益廣泛的應用。

    (5)鉀鈉合金 

      

        [英] Sodium Potaddium Al

      [別]鈉鉀合金 [縮]JNHJ

      【化學結構】 4K-Na

      【化學特性】

      銀色的軟質固體或液體. 遇酸、二氧化碳、潮氣及水發生劇烈反應, 放出氫氣, 立即自燃, 有時甚至會爆炸. 密度: 0.847克/毫升(100℃) (K78%,Na22%); 0.886克/毫升(100℃)(K56%,Na44%) 熔點: -11℃(K78%,Na22%); 19℃(K56%, Na44%);

      【極限參數】 沸點: 784℃(K78%,Na22%); 825℃(K56%, Na44%);

      【應用】液態金屬核反應堆用的冷卻劑是鈉鉀合金,常溫下液態。

      鈉鉀合金的熔點

      鈉 鉀 熔點

      20% 80% -10 ℃

      22% 78% -11 ℃

      24% 76% -3.5 ℃

      40% 60% 5 ℃

    幾種新型合金,隨著科技的發展,新型合金的種類日益增多,這里介紹主要的幾種:

    (1)輕質合金

      鋁鋰合金具有高比強度(斷裂強度/密度)、高比剛度且相對密度小的特點,如用作現代飛機蒙皮材料,一架大型客機可減輕重量50 kg。以波音747為例,每減輕1 kg,一年可獲利2 000美元。鈦合金比鋼輕、耐腐蝕、無磁性、強度高,是用于航空和艦艇的理想材料。

    (2)儲氫合金

      由于石油和煤炭的儲量有限,而且在使用過程中會帶來環境污染等問題,尤其是20世紀70年代全球石油危機,使氫能作為新的清潔燃料成為研究熱點。在氫能利用過程中,氫的儲運是重要環節。1969年荷蘭飛利浦公司研制出LaNi5儲氫合金,具有大量的可逆地吸收、釋放氫氣的性質,其合金氫化物LaNi5H6中氫的密度與液態氫相當,約為氫氣密度的1 000倍。

      儲氫合金是由兩種特定金屬構成的合金,其中一種可以大量吸氫,形成穩定的氫化物,而另一種金屬雖然與氫的親和力小,但氫很容易在其中移動。Mg、Ca、Ti、Zr、Y和La等屬于第一種金屬,Fe、Co、Ni、Cr、Cu和Zn等屬于第二種金屬。前者控制儲氫量,后者控制釋放氫的可逆性。通過兩者合理配制,調節合金的吸放氫性能,制得在室溫下能夠可逆吸放氫的較理想的儲氫材料。

    (3)超耐熱合金

      鎳鈷合金能耐1 200 ℃的高溫,可用于噴氣飛機和燃氣輪機的構件。鎳鈷鐵非磁性耐熱合金在1 200 ℃時仍具有高強度、韌性好的特點,可用于航天飛機的部件和原子反應堆的控制棒等。尋找符合耐高溫、可長時間運行(10 000 h以上)、耐腐蝕、高強度等要求的合金材料,仍是今后研究的方向。

    (4)形狀記憶合金

      它們具有高彈性、金屬橡膠性能、高強度等特點,在較低溫度下受力發生塑性變形后,經過加熱,又恢復到受熱前的形狀。如Ni-Ti、Ag-Cd、Cu-Cd、Cu-Al-Ni、Cu-Al-Zn等合金,可用于調節裝置的彈性元件(如離合器、節流閥、控溫元素等)、熱引擎材料、醫療材料(牙齒矯正材料)等。

      形狀記憶效應來源于一種熱彈性馬氏體相變。一般的馬氏體相變作為鋼的淬火強化的方法,就是把鋼加熱到某個臨界溫度以上保溫一段時間,然后迅速冷卻,例如直接插入冷水中(稱為淬火),這時鋼轉變為一種馬氏體的結構,并使鋼硬化。后來,在某些合金中發現了不同于上述的另一種所謂熱彈性馬氏體相變,熱彈性馬氏體一旦產生便可以隨著溫度降低繼續長大。相反,當溫度回升時,長大的馬氏體又可以縮小,直至恢復到原來的狀態,即馬氏體隨著溫度的變化可以可逆地長大或縮小。熱彈性馬氏體相變時隨之伴有形狀的變化。

      新型金屬功能材料除上述幾類以外,還有能降低噪音的減振合金;具有替代、增強和修復人體器官和組織的生物醫學材料;具有在材料或結構中植入傳感器、信號處理器、通信與控制器及執行器,使材料或結構具有自診斷、自適應,甚至損傷自愈合等智能功能與生命特征的智能材料等。

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