材料化學 課件 第九章 金屬材料及制備2-1 金屬材料的制備與熱處理

高等材料化學第九章：金屬材料及制備金屬材料及制備一、金屬材料概論金屬材料概論金屬材料的晶體結構鐵-碳相圖和鋼鐵材料二、金屬材料的制備與熱處理

金屬礦物與冶煉金屬材料的熱處理金屬的腐蝕與防護三、功能性金屬材料功能合金材料

非晶金屬材料

金屬基復合材料四、金屬材料工程案例(中鋁集團陳少華博士)金屬礦物與冶煉三則有關金屬礦產的報道2022年8月3日，商務部新聞發(fā)言人就暫停天然砂對臺灣地區(qū)出口時表示，根據(jù)相關法律規(guī)定，決定暫停天然砂對臺灣地區(qū)出口，相關措施自2022年8月3日起實施?？赡艿挠绊懀?.

九成建材市場受重創(chuàng)2.波及臺灣芯片制造業(yè)2023年7月，商務部、海關總署發(fā)布了《關于對鎵、鍺相關物項實施出口管制的公告》。根據(jù)《中華人民共和國出口管制法》等有關規(guī)定，為維護國家安全和利益，經國務院批準，決定自2023年8月1日起對鎵、鍺相關物項實施出口管制。1996年中國鋼產量普通一億噸自然界金屬的存在形式金屬礦物與冶煉單質(少數(shù)，如金、鉑和銀)化合物(大多數(shù)，如各種鐵礦石)

(能冶煉出金屬的礦物叫作礦石)自然金自然鉍常見的鐵礦石含鐵48.27%含鐵46.67%含鐵70%含鐵72.4%黃鐵礦(主要成分FeS2)菱鐵礦(主要成分FeCO3)赤鐵礦(主要成分Fe2O3)磁鐵礦(主要成分Fe3O4)自然界金屬的存在形式金屬礦物與冶煉單質(少數(shù)，如金、鉑和銀)化合物(大多數(shù)，如各種鐵礦石)

(能冶煉出金屬的礦物叫作礦石)常見的銅礦石孔雀石Cu2(OH)2CO3赤銅礦(主要成分Cu2O)黃銅礦(主要成分CuFeS2)藍銅礦Cu3(CO3)2(OH)2將金屬元素從化合物轉變成單質的方法(金屬提煉)非常重要包括：金屬的制備方法、精煉以及代表性合金的制備金屬礦物與冶煉金屬的冶煉老照片：1958年全民大煉鋼鐵古代煉鐵圖干將、莫邪？春秋戰(zhàn)國時期的冶鐵和煉鋼金屬的熱分解制備金屬礦物與冶煉熱分解法：金屬氧化物、碘化物、羰基化合物、氫化物等直接進行高溫加熱分解可制得純金屬。熱分解法適用于不活潑金屬的提煉，電極電勢活性低于氫的不活潑金屬氧化物僅通過加熱就能制得。該方法還適用于合金的熱分解制備。金屬氧化物熱分解法2HgO→2Hg+O22AgO→2Ag+O22PdO→2Pd+O2金屬硫化物焙燒法MeS+O2→Me+SO2HgS+O2→Hg+SO2?????吉布斯自由能溫度氣氛(O2/SO2)金屬的熱還原制備金屬礦物與冶煉CO、H2、C作還原劑還原金屬氧化物，是最為常見的金屬熱還原制備方法金屬熱還原法：對于自由熔圖中位置低的穩(wěn)定性很高的氧化物，只能用位置比其更低的金屬來還原。金屬A(或其合金)作還原劑在高溫下將另一種金屬B的化合物還原以制取金屬B(或其合金)。原理：利用自由焓低的金屬還原自由焓相對較高的金屬氧化物。金屬熱還原通常是按還原劑來命名。

用鋁作還原劑生產金屬鉻，稱為鋁熱法。

用硅鐵作還原劑冶煉釩鐵，稱為硅熱法。Al+Fe2O3

→Fe+Al2O3(Fe3O4、V2O5、Cr2O3等)金屬熱還原法即可在大氣壓下進行，也可在真空環(huán)境中進行。鋁熱反應金屬的熱還原制備金屬礦物與冶煉

Ar氣氛，1個大氣壓下溫度對金屬熱還原反應的影響

壓力對金屬熱還原溫度的影響×105金屬的電解制備金屬礦物與冶煉

電解池示意圖氯化鈉在熔融狀態(tài)（804℃）下電解:

陰極：陽極：金屬的精煉金屬礦物與冶煉由火法煉制的金屬粗品一般含有0.2%-1%的雜質，這些雜質會對其物理性質(如延展性和導電性等)有很大影響，因此需要將粗產物進一步提純，以滿足工業(yè)要求(通常純度要達到99.95%以上)。電解精煉還可以回收粗產物中的微量金屬如金、銀、鉑、鈷、鎳、碲、硒等，是一種綜合利用資源的好方法。硅錠(冶煉級工業(yè)硅98~99%)2020年全球工業(yè)硅產能占比2018~2022年硅晶圓產能(萬片/月)高純單晶硅棒多晶硅棒99.9999%合金制備金屬礦物與冶煉合金是由兩種或兩種以上的金屬與金屬或非金屬經過特定的方法所合成的具有金屬特性的物質。一般通過熔合成均勻液體后凝固而得，具有比單一金屬更優(yōu)良的性能，其性質與化學組成和內部結構有密切關系。低共熔混合物

焊錫(181oC)：錫(232oC)、鉛(327oC)的低共熔合金金屬固熔體

兩種或多種金屬在凝固時也能保持互溶狀態(tài)，保持溶劑

金屬的晶格類型。分為缺位固溶體、置換固溶體和間隙固溶體。金屬間化合物Bi-Cd體系的相圖價電子數(shù)/原子數(shù)晶格類型分子式3/2或21/14體心立方晶體CuZn21/13復雜立方晶體Cu3Zn3