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1、材料化学新型金属材料新型金属材料New-style Metallic Materials（2）金属的冶炼过程高炉冶炼用的原料主要由铁矿石、燃料和熔剂三部分组成。 （一）铁矿石高炉冶炼用的铁矿石要求成分稳定、含铁品位高、脉石（矿石中 有用部分与没有工业价值的岩石或其它矿物伴生在一起，这些没有用的部分叫 脉石）少、有害杂质少、矿石粒度均匀、强度好、还原性好。铁矿石含铁量的 多少（即品位高低），直接影响到炼铁生产的各项指标。一般含铁量在30以 上的铁矿石才有开采价值。当前作为炼铁原料的铁矿石主要有： （1）磁铁矿。主要成分Fe3O4，纯矿石最高含铁量为72.4。 （2）赤铁矿。主要成分Fe2O3，纯
2、矿石最高含铁量为70.0。 （3）褐铁矿。主要成分FeO(OH) ，纯矿石含铁量在4863之间。 （4）菱铁矿。主要成分FeCO3 ，经过焙烧，二氧化碳从矿石中分解出来。 （5）钒钛磁铁矿。除含铁外，还有金属钒和轻金属钛，理论上钒钛磁铁矿 的含铁量为36.8，含钛31.6，其余是钒和氧。我国西南地区重要钢铁基地 攀枝花钢铁公司所用的矿石就是钒钛磁铁矿。3.2.5. 高温熔融法v高炉冶炼用的原料v 高炉用燃料包括焦炭和喷吹燃料两大类。v焦炭在炼铁过程中有三种作用：一是燃烧供给热量（热源）；二是作为料 柱骨架（气窗）；三是作还原剂。因此，焦炭中的含碳量越高越好。除了 强度好和骨架作用外，高炉对喷吹
3、燃料的要求及其作用与焦炭相同。 v 高炉炼铁主要用焦炭作燃料。焦炭含碳量较高，气孔率高，最大的特点 是机械强度（以转鼓指数表示）高，能满足大型高炉的要求。因此，目前 在高炉炼铁中一般都采用焦炭作主要燃料。20世纪60年代开始盛行喷吹技 术（喷煤、油、天然气等），目的在于部分取代宝贵的焦炭资源，但只能 取代焦炭的还原剂和热源两个作用，而料柱骨架作用取代不了。焦炭是高 炉炼铁必不可少的燃料。（2）金属的冶炼过程3.2.5. 高温熔融法v（二）燃料v在铁矿石中，除铁以外，还有脉石及硫等有害杂质，在焦炭及 煤粉中含有灰分，所以炼铁时要加入熔剂，与脉石和焦炭及煤 粉中的灰分及其它杂质化合，形成炉渣，以达
4、到降低脉石熔点 并使杂质、灰分与铁水分离的目的。v 高炉冶炼采用的熔剂主要有石灰石、白云石、蛇纹石等。对 熔剂的要求是：碱性氧化物（主要是氧化钙）的含量要高，而 酸性氧化物（主要是二氧化硅和三氧化二铝）的含量尽可能低 ，有害杂质硫、磷含量也要低，强度高，块度适宜。（2）金属的冶炼过程3.2.5. 高温熔融法v（三）熔剂（2）金属的冶炼过程转炉炼钢 3.2.5. 高温熔融法氧化： 转炉炼钢是在转炉里进行。开始时，向内注入1300摄氏度的液态生 铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入氧气。这时液态生铁表面剧烈的反应 ，使铁、硅、锰氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣
5、的 对流作用，使反应遍及整个炉内。几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化 碳（放热）使钢液剧烈沸腾，炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的 火焰。随着温度升高，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁、硫酸亚铁,同时 ，石灰逐渐溶解，炉渣转变为硅酸钙渣或磷酸钙渣。1952年氧气顶吹转炉问世，逐渐取代空气吹炼的转 炉和平炉，现在已经成为世界上主要炼钢方法。 原理： 靠吹入熔池的空气或氧气与生铁水中各种元素的放热氧化反应完成 脱碳和脱除杂质的任务，并将钢液加热到出钢（1600或更高）温度。（2）金属的冶炼过程3.2.5. 高温熔融法脱氧： 转炉吹炼终 了时，钢液中存在 着少量过剩
6、的溶解 氧，一般为0.01 0.08。其含量主 要取决于终点钢水 的碳含量(图1)。但 在固体钢中氧的溶 解度很低,仅为0.002 0.003,因此在浇 铸后的钢水凝固过 程中，氧便以FeO 形式析出,影响钢的 质量。 （2）金属的冶炼过程3.2.5. 高温熔融法要炼成合格的钢,就必须 脱氧。脱氧是将与氧亲和力 较大的元素及其合金作为脱 氧剂加入钢液中，利用脱氧 产物不溶于钢液而析出上浮 脱离钢液的原理,使钢中的含 氧量降到规定限度之下。各元素在1600时的脱 氧能力比较见图2。在生产中 常用的脱氧元素锰、硅、铝, 它们的脱氧能力依次递增。 为提高脱氧效率,使脱氧产物 易于形成大颗粒排出，脱氧
7、 剂的加入一般应采用由弱到 强的顺序，即先加锰铁，再 加硅铁，最后加铝（或铝铁 ）。 （2）金属的冶炼过程3.2.5. 高温熔融法主要内容：v4.1 超耐热合金v4.2 超低温合金v4.3 超塑合金v4.4 形状记忆合金v4.5 贮氢合金v4.6 非晶态金属材料 在7001200C高温下能满意工 作的金属材料。4.1 超耐热合金 4.1.1 超耐热合金的定义决定其在高温下能否正常使 用还需要考虑施加在构件上 的应力。4.1 超耐热合金 4.1.1 超耐热合金的定义占发动机重量70由超 耐热合金构 成。可以说超 耐热合金是燃气轮机的生 命。发动机的涡轮前温度、 推力、耗油率和寿命，都 取决于超耐
8、热合金的性能 和质量。 发动机的燃烧室 为温度的最高区域，如把 涡轮前温度由900提高 到1300，则发动机椎力 将会增加到130，耗油 率会大幅度下降。 4.1 超耐热合金 4.1.1 超耐热合金的定义超耐热合金即受到高温作用不会变软，能始终保持合金体的硬度不变； 另一方面要求加以高应力时，合金的蠕变断裂寿命长。材料在长时间的恒温恒应力作用下缓慢产生 塑性变形的现象称为蠕变。零件由于这种变 形而引起的断裂称为蠕变断裂。 4.1 超耐热合金 4.1.1 超耐热合金的定义现在，工业生产中广泛使用的耐热合金主要是镍合金，虽然在镍 合金里也加入了金属铝和钛，但是它的耐热程度比钴合金低。最近日本东北大
9、学大学研究小组成功地开发出在摄氏1200度高 温下仍然能保持足够强度的钴金属新型合金，这个温度比普通的合 金高出摄氏100度。这种新型合金只能达到几公斤，所以如何能生产 出大型的新型钴金属合金，并使之真正用于工业生产中，是向工业 实用化迈进的一个新课题。 日本最近制成了一种可在1000以上高温条件下使用的新型合金 材料，可用于制造飞机发动机部件。这种新合金是以镍为基材，加入一 定比例的钛、铬、铝、钨、钽和钼等金属元素制成的。经试验，在 1040的高温下，加以137MPa的应力，这种合金的蠕变断裂寿命约为 500h，是目前使用的高性能材料的3倍。4.1 超耐热合金 4.1.1 超耐热合金的定义4
10、.1 超耐热合金 4.1.1 超耐热合金的定义 A A A A A A A A H HeLi Be 固体元素人造元素B C N O F Ne Na Mg 气体元素液体元素Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs MtUu n Uu u Uu b U
11、u t Uu q Uu p Uu h Uu s Uu o Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr BBBBBBBB元素中文名: 原子量： 熔点： 原子序数： 元素英文名: 价电子： 沸点： 核外电子排布: 4.1 超耐热合金 4.1.2 超耐热合金的分类4.1 超耐热合金 4.1.2 超耐热合金的分类铁基超耐热合金由奥氏体不锈钢发展而来，20世纪40年代在18-8型不锈钢 中加 入钼、铌、钛等元素，使该钢在500-700条件下的持久强度提高。(1) 铁基超耐热合金铁基合
12、金中的镍是形成稳定奥氏体的主要元素，铬用来提高抗氧化性和抗燃 气腐蚀 性，钼和钨用来强化固溶体的晶界，铝、钛、铌起沉淀硬化作用。故 它的基体为奥氏体。铁基高温合金 用于低于800的条件，但由于其成本较 低，主要用于制作一些使用温度要求不高的航空 发动机和工业燃气轮机的零 部件等。 奥氏体是碳溶解在Fe中的间隙固溶体。它仍保持Fe的面心立方晶 格。其溶碳能力较大，在727时溶碳为0.77,1148时可溶碳2.11。奥氏 体是在大于727高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢 种在高温下进行压力加工时所要求的组织。不锈钢中的“铁素体”,指的是碳溶解在aFe中的间隙固溶体，它仍保持的
13、体心立方晶格。其溶碳能力很小，常温下仅能溶解为0.0008的碳，在727 时最大的溶碳能力为0.02,4.1 超耐热合金 4.1.2 超耐热合金的分类(2) 镍基超耐热合金镍基超耐热合金以镍为基体，镍含量50，可在700-1000温度范围 使用。这种 合金最在1941年由美国首先研制。以后为提高蠕变强度加入铝， 随后美国和前苏联也相继生产，中国 在20世纪50年代也获成功，如我国生产 的通常用于涡轮盘制作的GH901，其主要成分 为Ni-34Fe-13Cr-2A1-3Ti。由 于其高温强度很高，难以变形，后来用于精密铸造工艺。 镍基可溶解较多的合金元素，可保持其较好的组织稳定性。含Cr的 镍基
14、合金比铁基的抗氧化性和抗腐蚀性更好，现代喷气发动机中，涡轮 叶片几乎全部采用镍基合金制造。 4.1 超耐热合金 4.1.2 超耐热合金的分类(3) 钴基超耐热合金钴基超耐热合金是含钴量为40-60的奥氏体，可在730-1100条件下 使用。 钴基合金最早研制是出于20世纪30年代活塞式航空发动机中涡轮增压 器的需要，1942 年美国首先研制成Vitallium(Co-72Cr-5Mo-0.5Ti)合金后加 入2.6Ni，降低合金碳含量至0.3，以减少因析出碳化物而变脆，发展了 HA-21合金，使温度提高至850870 范围，为锻造祸轮叶片采用。 钴基超耐 热合金缺少共格的强化相，中温强度只有镍
15、基合金的50- 75；但当高于980时，其强度较高，抗热疲劳、热腐蚀性均佳，适合 于制作航空发动机、工业燃汽轮机、舰船燃汽轮 机的导向叶片和喷嘴导 向叶片以及柴油机喷嘴等。 4.1 超耐热合金 4.1.3 提高超耐热合金性能的途径v在钢中加入对氧的亲和力比铁强的Cr、Si、Al等，可以优先形 成稳定、致密的Cr2O3、Al2O3或SiO2等氧化物保护膜，成为提 高耐热钢高温抗腐蚀的主要措施。(1) 改变合金组织结构v为了增强金属材料的耐高温蠕变性能，即主要防止再结晶导致 晶格破坏，可以加入一些旨在提高其再结晶温度的合金元素， 例如高熔点的合金元素W、Mo、V等。v钢的组织状态对其抗热性也有影响
16、，奥氏体组织的钢比铁素体 组织的钢耐热性高。4.1 超耐热合金 4.1.3 提高超耐热合金性能的途径4.1 超耐热合金(2) 从工艺角度考虑v定向凝固由于高温合金中含有多种合金元素，塑性和韧性都很差，通常采用精密铸 造工艺成形，铸造结构中的一些等轴晶粒的晶界处于垂直于受力方向时，最容 易产生裂 纹。叶片旋转时，所受的拉力和热应力，平行于叶片纵轴，定向凝固 工艺形成沿纵轴方向的柱状晶粒，消除垂直于应力方向的晶界，从而可以使涡 轮叶片的使用温度提高1030 ，涡轮进口温度提高2060 ，从而提高 发动机的推力和可靠性，并延长使用寿命。 4.1.3 提高超耐热合金性能的途径在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度 梯度，使熔融合金沿着与热流相反的方向按 照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。 凝固过程中，在特定方向上强制冷却， 晶粒中易传热的晶向倾向于沿热流方向排列 。 4.1
