常规金属材料及应用

第一节　常规金属材料及应用

一、钨——刚强耐热的烈火金刚

自从1879年爱迪生发明了灯泡以来，金属钨便大显神通。白炽灯、碘钨灯和真空管中的灯丝，都是用钨丝做成的。因为钨是熔点最高的金属，它的熔点高达3410℃，当白炽灯点亮的时候，灯丝的温度高达3000℃以上，因此它素有“烈火金刚”之美称。

金属钨可以从一种黑褐色的矿石里提炼出来，也是黑褐色的有金属光泽的颗粒。这种黑褐色的矿石叫做钨锰铁矿，也叫黑钨矿，是钨的一种主要矿物。钨的英文名为“tungsten”，命名取意“重石”，可能是它的原子量比较大的原因吧。

19世纪末到20世纪初，钨作为钢的添加剂用于冶金工业，以后又用钨作为灯泡的灯丝。具有延性的钨材料制备新方法的诞生，以及碳化钨硬质合金的使用，使它的应用范围扩大了，特别是在60年代航空和宇航等尖端科学技术的发展中，它就显得格外重要了。

钨的最重要用途之一就是用它制备具有超硬性能的硬质合金，其用量占整个产量的50%。在现今的工业中到处可见使用硬质合金的例子，如我们常说的合金刀头，用它们切削工件时可成倍甚至成百倍增加使用寿命，在量具的易磨损的工件表面上镀以碳化钨硬质合金，能提高其精度并延长寿命20～150倍。

硬质合金还是重要的模具材料，用它做热压模、冷拉模具，其耐磨性能最佳，可提高寿命20～200倍；硬质合金还大量用于耐磨制件上，如采矿工业用的采掘设备、石油勘探用的钻头、冷轧箔材的轧辊等。钨在现代工业中的地位简直是举足轻重，如果没有以它为基础的硬质合金，很难想象有今天的现代工业。

金属钨第二个重要的用途是作为钢和有色金属合金的添加剂。钢中含有钨时可使钢回火稳定性、红硬性和抗腐蚀能力大大增加。现在工业上生产的性能优异的合金工具钢、结构钢、弹簧钢、耐热钢和磁钢等都添加了钨。

钨的另一重要用途，也就是在火箭、导弹、返回式宇宙飞船以及原子能反应堆等尖端科学上的重要应用。这是由于钨具有优异的物理、机械、抗腐蚀和核性能的原因。如钨合金在1900℃的高温下，强度仍然很大，而在这样高温下，无论是钢还是耐热的超级合金也都熔化成液体了。

钨主要用来制造不需要冷却的各种类型火箭发动机喉衬；用渗银钨做成喷管可经受3100℃以上的高温，用于多种类型的导弹和飞行器；用钨纤维复合材料制作的火箭喷管，能耐3500℃或更高温度；在化工工业中可做耐腐蚀设备和部件；可做润滑剂、颜料和各种反应的催化剂。

二、多姿多彩的钢铁

在我们的日常生活中，钢铁已成为了一种运用最为普遍，需求量堪称冠军的金属，大到机床、农业机械、汽车、火车、远洋巨轮、重型坦克，小到日常用的文具盒、铁锅、钢笔等等，都需要钢铁来铸就。

钢铁是铁和钢的总称，首先铁矿石经过在高炉中的冶炼得到了生铁，生铁再进入炼钢炉中经千锤百炼才得到了钢。那么与我们的生活这么亲密的钢铁究竟有什么优点，为何应用如此广泛呢？

也许有人会回答，很简单，铁在自然界的储量非常丰富，而且又坚硬，当然应用广泛了。不错，铁在自然界中的含量居第4位，丰富得很。不过坚硬只是钢铁的优良性质之一，而且对于生铁来说，硬是硬，可是它太脆了，除了铸造之外，生铁本身就没有什么太多的用途了。只有掺杂其他一些特定物质冶炼成合金，钢铁的本领才会越来越大。

通常我们使用的金属材料大都不是纯金属，而是与其他金属或非金属形成的合金，它们往往有更为优越的性能。不锈钢就是一个典型的例子。不锈钢的表面上有一层极薄的致密的铬和其他金属的氧化膜，这层氧化膜既稳定又坚韧，能使金属不被腐蚀。

现代社会需要各种能适应不同特定环境的钢产品，这就促使人们去生产具有不同特性，不同用途的合金钢，人们把它们叫做特种钢。

合金钢在很远的古代就产生了。1976年，我国出土了一把春秋时的宝剑，至今不锈，化学分析证明是含碳0．5%的碳钢。

今天，钢已形成了一个庞大的家族。这个家族有两个嫡系，分别为碳素钢和合金钢。

碳素钢是铁和碳的合金。按含碳的多少，分为高碳钢，中碳钢和低碳钢。合金钢除碳以外，还含有其他一些合金元素，如硅、锰、镍、钒、钛、钼等。按合金元素的多少，也分为高合金钢，中合金钢和低合金钢。又按含合金元素的不同分类为硅钢，锰钢，镍钢，铝钢等。

合金钢中的含金元素仿佛人体内的维生素一样，大大改善了钢在某方面的性能。锰钢具有很强的耐磨性，可用于制造拖拉机履带和车轴，齿轮，坦克的装甲材料等；钨钢耐高温，是制造金属切削工具的好材料；硅钢具有良好的电磁性能，许多电器都离不开它。

在当今世界中，一个国家生产合金特种的技术水平和质量已经成了这个国家现代水平高低的标志。我国钢产量位居世界前列，但钢产品种类较为单一，许多特种钢还不能生产。提高我国钢铁的生产水平就需要有识之士一同努力了。

三、铝——“银色的金子”

铁在地壳中的含量位居第四，已经很多了。不过地壳中最多的金属是铝，其次才是铁。地球上到处都是铝的化合物，最普通的泥土中就含有许多氧化铝。

在我们的日常生活中，更是随处可见铝的影子。硬币是铝做的；厨房里到处是铝锅铝勺；包糖果、香烟的“银纸”其实也是铝箔。然而，在100多年前，铝被认为是一种稀罕的贵金属，价格比黄金还贵。

原来，那时候人们用钠还原法制铝，成本很大，得到的铝又很少，自然身价很高。据说在一次宴会上，法国皇帝拿破仑三世独自用铝制的刀叉，而其他人都用银制的餐具。泰国当时的国王曾用过铝制的表链；1855年巴黎国际博览会上，展出了一小块铝，标签上写到：“来自黏土的白银”，并将它放在最珍贵的珠宝旁边，直到1889年，伦敦化学会还把铝和金制的花瓶和杯子作为贵重的礼物送给门捷列夫。

使铝走入寻常百姓家并得到广泛使用的是霍尔。霍尔采用大量存在的氧化铝为原料进行电解得到铝。氧化铝的熔点很高，电解时首先要将它溶化，而且在这样高的温度下电解，真是困难重重。霍尔经过研究选用冰晶石添加在氧化铝中，大大降低了氧化铝的熔点，解决了这个难题。

近一个世纪的历史进程中，铝的产量急剧上升，到了20世纪60年代，铝在全世界有色金属产量上超过了铜，坐上了老大的交椅。这时的铝已不单属于皇家贵族所有，它的用途涉及许多领域：大至国防、航天、电力、通讯等，小到锅碗瓢盆等生活用品。

铝的化合物用途非常广泛，不同的含铝化合物在医药、有机合成、石油精炼等方面发挥着重要的作用。

纯的铝很软，强度不大，有着良好的延展性，可以拉成细丝，也可以轧成箔片，因此大量用于制造电线、电缆、无线电工业以及包装业。

铝的导电能力约为铜的三分之二，但由于其密度仅为铜的三分之一，因而，将等质量和等长度的铝线和铜线相比，铝的导电能力约为铜的二倍，且价格比铜低廉，所以，野外高压线多由铝做成，节约了大量成本，缓解了铜材的紧张。

铝的导热能力比铁大3倍，工业上常用铝制造各种热交换器、散热材料等，家庭使用的许多炊具也由铝制成。与铁相比，它还不易锈蚀，延长了使用寿命。

铝粉具有银白色的光泽，常和其他物质混合用作涂料，刷在铁制品的表面，保护铁制品免遭腐蚀，而且美观。由于铝在氧气中燃烧时能发出耀眼的白光并放出大量的热，又常被用来制造一些爆炸混合物，如铵铝炸药等。

冶金工业中，常用铝热剂来熔炼难熔金属。如铝粉和氧化铁粉混合，引发后即发生剧烈反应，交通上常用此来焊接钢轨；炼钢工业中铝常用作脱氧剂；光洁的铝板具有良好的光反射性能，可用来制造高质量的反射镜、聚光碗等。

铝还具有良好的吸音性能，根据这一特点，一些广播室，现代化大建筑内的天花板等有的采用了铝。纯的铝较软。1906年，德国冶金学家维尔姆在铝中加入少量镁、铜，制得了坚韧的铝合金。

后来，这一专利为德国杜拉公司收买，所以铝又有“杜拉铝”之称，在以后几十年的发展过程中，人们根据不同的需要，研制出了许多铝合金，在许多领域起着非常重要的作用。

在某些金属中加入少量铝，便可大大改善其性能。如青铜铝（含铝4%～15%），该合金具有高强度的耐蚀性，硬度与低碳钢接近，且有着鲜艳的金属光泽，常用于珠宝饰物和建筑工业中，制造机器的零件和工具。

在铝中加入镁，便制得铝镁合金，其硬度比纯的镁和铝都大许多，而且保留了其质量轻的优点，常用于制造飞机的机身，船舶和火箭的箭体；还可用来制造门窗、美化居室环境。

渗铝，是钢铁化学热处理方法的一种，使普通碳钢或铸铁表面上形成耐高温的氧化铝膜以保护内部的铁。

铝是一种十分重要的金属，然而，许多含铝化合物对人类的作用也是非常重大的。

氧化铝为一种白色无定形粉末，它有多种变体，其中最为人们所熟悉的是三氧化二铝。自然界存在的刚玉即属于三氧化二铝，它的硬度仅次于金刚石，熔点高、耐酸碱，常用来制作一些轴承，制造磨料、耐火材料。用刚玉制的坩埚，可耐1800℃的高温。

还有一种三氧化二铝是一种多孔的物质，每克内表面积可高达数百平方米，有很高的活性，又名活性氧化铝，能吸附水蒸气等许多气体、液体分子，和活性炭相似。因此，也常用作吸附剂、催化剂载体和干燥剂等，工业上冶炼铝也以此作为原料。

氢氧化铝可用来制备铝盐、吸附剂、媒染剂和离子交换剂，也可用途瓷、釉、耐火材料、防火布等原料，它的凝胶液和干凝胶在医药上用作酸药，有中和胃酸和治疗溃疡的作用，用于治疗胃和十二脂肠溃疡病以及胃酸过多症。

偏铝酸钠常用于印染织物，生成湖蓝色染料，制造毛玻璃、肥皂、硬化建筑石块。此外它还是一种较好的软水剂、造纸的填料、水的净化剂、人造丝的去光剂等。

溴化铝是常用的有机合成和异构化的催化剂。

磷化铝遇潮湿或酸放出剧毒的磷化氢气体，可毒死害虫，农业上用于谷仓杀虫的熏蒸剂。

硫酸铝常用作造纸的填料、媒染剂、净水剂和灭火剂，并用于制造沉淀色料、防火布和药物等。冰晶石即六氟合铝酸钠，在农业上常用作杀虫剂；硅酸盐工业中用于制造玻璃和搪瓷的乳白剂。

明矾是铝的一种含水硫酸盐，有净水的作用。医药上也常用作收敛剂。硝酸铝可用来鞣革和制白热电灯丝，也可用作媒染剂；硅酸铝常用于制玻璃、陶瓷、油漆的颜料以及油漆、橡胶和塑料的填料等，硅铝凝胶具有吸湿性，常被用作石油催化裂化或其他有机合成的催化剂载体。

好大的一个大家族啊，如此众多的铝的化合物，如此众多的应用，铝真可谓“价值不菲”！

四、人小鬼大的锂

锂具有较高的比热和电导率，它的密度是0．53克／厘米3，是自然界中最轻的金属。别看密度小，质量轻，锂的本领可不小！它的化学性质非常活泼，常温下它是唯一能与氮气反应的碱金属元素。自然界存在的锂由两种稳定的同位素6．3Li和7．3Li组成。因为密度太小，又容易和空气中的气体反应，所以锂只能存放在密度更小的凡士林或石蜡中，以隔绝空气。

锂在发现后一段相当长的时间里，一直受到冷落，仅仅在玻璃、陶瓷和润滑剂等部门，使用了为数不多的锂的化合物。

锂早先的主要工业用途是以硬脂酸锂的形式用作润滑剂的增稠剂，锂基润滑脂不怕水，也不怕高温，而且在低温环境中也能保持良好的性能。如果在汽车的一些零件上加上一次锂润滑剂，就足以用到汽车报废为止。

因为锂能强烈地和氧、氮、氯、硫等物质反应，所以，在冶金工业上利用锂充当脱氧剂和脱硫剂；在铜的冶炼过程中，加入十万分之一到万分之一的锂，能改善铜的内部结构，使之变得更加致密，从而提高铜的导电性；锂在铸造优质铜铸件中能除去有害的杂质和气体。在现代需要的优质特殊合金钢材中，锂是清除杂质最理想的材料。

1千克锂燃烧后可释放42998千焦的热量，因此锂是用来作为火箭燃料的最佳金属之一。1千克锂通过热核反应放出的能量相当于两万多吨优质煤的燃烧。若用锂或锂的化合物制成固体燃料来代替固体推进剂，用作火箭、导弹、宇宙飞船的推动力，不仅能量高、燃速大，而且有极高的比冲量，火箭的有效载荷直接取决于比冲量的大小。

如果在玻璃制造中加入锂，可以大大降低玻璃的溶解性，使其“永不溶解”，并可以抗酸腐蚀。

纯铝太软，当在铝中加入少量的Li、Mg、Be等金属熔成合金，既轻便，又特别坚硬，用这种合金来制造飞机，能使飞机的重量大大减轻，一架锂飞机两个人就可以抬走！

真正使锂成为举世瞩目的金属，还是在它的优异的核性能被发现之后。由于它在原子能工业上的独特性能，人们称它为“高能金属”。

6Li捕捉低速中子能力很强，可以用来控制铀反应堆中核反应发生的速度，同时，还可以在防辐射和延长核导弹的使用寿命方面及将来在核动力飞机和宇宙飞船中得到应用。6Li在原子核反应堆可用作瓷釉、耐火材料、防火布等原料，它的凝胶液和干凝胶在医药上用作酸药，有中和胃酸和治疗溃疡的作用，用于治疗胃和十二指肠溃疡病以及胃酸过多症。

偏铝酸钠常用于印染织物，生产湖蓝色染料，制造毛玻璃、肥皂、硬化建筑石块。此外它还是一种较好的软水剂、造纸的填料、水的净化剂、人造丝的去光剂等。

溴化铝是常用的有机合成和异构化的催化剂。

磷化铝遇潮湿或酸放出剧毒的磷化氢气体，可毒死害虫，农业上用于谷仓杀虫的熏蒸剂。

硫酸铝常用作造纸的填料、媒染剂、净水剂和灭火剂，并用于制造沉淀色料、防火布和药物等。

冰晶石即六氟合铝酸钠，在农业上常用作杀虫剂；硅酸盐工业中用于制造玻璃和搪瓷的乳白剂。

明矾是铝的一种含水硫酸盐，有净水的作用。医药上也常用作收敛剂。硝酸铝可用来鞣革和制白热电灯丝，也可用作媒染剂；硅酸铝常用于制玻璃、陶瓷、油漆的颜料以及油漆、橡胶和塑料的填料等，硅铝凝胶具有吸湿性，常被用作石油催化裂化或其他有机合成的催化剂载体。

好大的一个家族啊，如此众多的铝的化合物，如此众多的应用，铝真可谓“价值不菲”！

锂电池是20世纪三、四十年代才研制开发的优质能源，它以开路电压高，比能量高，工作温度范围宽，放电平衡，自放电子等优点，已被广泛应用于各种领域，是很有前途的动力电池。

由锂制取氚，用来发动原子电池组，中间不需要充电，可连续工作20年。目前，要解决汽车的用油危机和排气污染，重要途径之一就是发展向锂电池这样的新型电池。

金属锂的用途就已经如此广泛了，它的化合物更是神通广大。

锂化物早先的重要用途之一是用于陶瓷制品中，特别是用于搪瓷制品中，锂化合物的主要作用是作助熔剂。

氟化锂对紫外线有极高的透明度，用它制造的玻璃可以洞察隐蔽在银河系最深处的奥秘。锂玻璃可用来制造电视机显像管。

二战期间，美国飞行员备有轻便应急的氢气源——氢化锂丸。当飞机失事坠落在水面时，只要一碰到水，氢化锂就立即溶解释放出大量的氢气，使救生设备充气膨胀。

锂盐可治疗癫狂病，已在临床上得到应用。动脉硬化性心脏病的发病率，与该地区饮食中锂的含量成反比。北京积水潭医院利用锂制剂治疗急性痢疾，疗效近90%。北京同仁医院采用锂制剂，医治再生障碍性贫血也有一定的疗效。

由锂和氨反应制得的氨基锂被用来引入氨基，也被用作脱卤试剂和催化剂。

人类对金属锂的应用目前已有了良好的开端，但由于锂的生产工艺比较复杂，成本很高。如果人们一旦解决了这些问题，锂的优良性能将得到进一步的发挥，从而扩大它的应用范围。

五、奇妙的锡

1912年，英国探险家斯科特去南极探险，发现贮存在供应点的油罐破裂，燃料油流失，而且燃料油又把食品污染了。斯科特等人在这样的情况下最终冻饿而死。罪魁祸首就是锡疫。原来，焊锡封好的油罐由于发生了锡疫而裂开，燃料油便流出来了。

什么是锡疫呢？

锡是一种银白色的金属。它的硬度比较低，用小刀就能切开它。它的展性较好，能被压展成厚度在0．04毫米以下的锡箔。锡的延性较差，拉成丝时，一拉就断。

锡在一般温度下是很稳定的。但在高温和低温下就特别娇气。当温度升到161℃时，锡一碰就脆；而当温度低到13．2℃时，它就会逐渐转变成一种煤灰色的粉末，在通常的气温下这个过程进行得非常缓慢，所以锡制器具不至于毁坏。但是，温度低于－33℃时，这种转变过程将大大加快，就像染上瘟疫一样，锡迅速毁坏无异，这就是所谓的“锡疫”。锡真是一种奇妙的金属。

当你走进故宫时，会看到许多金碧辉煌的宫殿；漫步在颐和园的回廊上，又将看到数不清的金色彩画。你是否怀疑过这将耗费掉多少黄金啊。事实是，除了极少数是用黄金在建筑物表面贴金外，绝大多数是用“金粉”绘制成的。金粉不是黄金，是锡和硫的化合物，叫做二硫化锡。

锡主要用来制造镀铁皮，也就是“马口铁”。中国是锡的主要生产国，云南的个旧一向有“锡都之称”。

六、黄金——金属王国的骄子

黄金是金属王国的骄子。自古以来，人们就把黄金用来作为货币和珍贵的装饰品。在人们的心目中，黄金是财富的象征。

然而，黄金除了能因为稀少而显得珍贵以外，它还具有许多特殊的物理、化学性能。这一点，使得黄金终于走出了金库的大门，开始在科技领域里大显身手。

黄金非常有延展性，一克黄金可以拉成长达160米的金丝，也可以碾成面积为9平方米、厚度为1／500000厘米的金箔，这种金箔看上去几乎是透明的。说来也许你会不相信，这么薄的金箔，居然能防止紫外线的通过！因此，被广泛用于宇航员的防护面罩和宇宙飞船的密封舱上。金箔对红外线也有强烈的反射作用，可用于红外线干燥设备和现代军事装备的红外线探测仪中。

为了保证飞机、人造卫星和宇航设备的可靠性，它们里面许多控制仪表和电器开关的接触点材料，都必须用导电性好、熔点高，而且不会被氧化的黄金，或其合金来制造。

黄金及其合金有良好的化学稳定性，可用来制造人造纤维的喷丝头，及航天运载工具中的电池过滤膜。黄金及其合金制成的记忆合金、超导材料和各种零件，已被广泛应用于医疗器械、电子工业、计算机、机器人、宇航、军工以及其他一些新科技领域中。

黄金在科技领域中的应用，将会越来越广泛。