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特种合金

目前工业上应用的合金种类数以千计,现只简要地介绍其中几大类。

( 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 PtAuAgCu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 TiZrTaNbCrAl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, PbAlH 2 SO 4溶液中, FeH 3 PO 4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 CuCr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 CrNiMo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) 23-2 x],它能起保护作用。钢中加入 CuPPCr均可促进这种保护膜的生成,由此可用 CuPPCr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

这类合金又称高温合金,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 CrSiAl等合金元素,或者在钢的表面进行 CrSiAl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,Ⅵ B元素金属键在同一周期内最强。因此,在钢中加入 CrMoW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 WMoVNb可生成 WCW 2 CMoCMo 2 CVCNbC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 NiCrCo的固溶体和 Ni 3 Al金属化合物,经处理后,其使用温度可达 1 000℃~ 1 100℃。

( 3)钛合金

钛是周期表中第 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 CuZnSnPb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 ONC等元素存在,会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,钛对空气、水和若干腐蚀介质都是稳定的。钛和钛合金有优异的耐蚀性,只能被氢氟酸和中等浓度的强碱溶液所侵蚀。特别是钛对海水很稳定,将钛或钛合金放入海水中数年,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 AlVZrSnSiMoMn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、导弹和航天飞机不可缺少的材料。船舶、化工、电子器件和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 FeCoNi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 FeCoNi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。

磁性合金在电力、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。