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稀土金属(rare earth metals)又称稀土元素,是元素周期表ⅢB族中钪、钇、镧系17种元素的总称,常用R或RE表示。从1794年发现个稀土元素钇,到1972年发现自然界的稀土元素钷,历经178年,人们才把17种稀土元素全部在自然界中找到。稀土金属的光泽介于银和铁之间。稀土金属的化学活性很强。
钪和钇因为经常与镧系元素在矿床生,且具有相似的化学性质,故被认为是稀土元素。
与其名称暗示的不同,稀土元素(钷除外)在地壳中的丰度相当高,其中铈在地壳元素丰度**第25,占0.0068%(与铜接近)。然而,由于其地球化学性质,稀土元素很少富集到经济上可以开采的程度。稀土元素的名称正是源自其匮乏性。人类种发现的稀土矿物是从瑞典伊特比村的矿山中提取出的硅铍钇矿,许多稀土元素的名称正源自于此地。
稀土是历史遗留的名称。稀土金属是从18世纪末叶开始陆续发现。当时人们常把不溶于水的固体氧化物称为土,例如把氧化铝叫陶土。稀土一般是以氧化物状态分离出来,又很稀少,因而得名稀土。稀土金属的化学性质很相似,所以在矿物生,但是钪的化学性质同其他稀土差别较大,一般稀土矿物中不含钪。稀少的钷初是从铀反应堆裂变产物中获得的,放射性元素147Pm的半衰期为 2.7年。过去认为自然界中不存在钷,直到1965年,芬兰一家磷酸盐工厂在处理磷灰石时发现了痕量的钷。
非晶态金属,也称金属玻璃。金属玻璃又称非晶态合金, 它既有金属和玻璃的优点, 又克服了它们各自的弊病.如玻璃易碎, 没有延展性。金属玻璃的强度高于钢, 硬度超过高硬工具钢, 且具有一定的韧性和刚性, 所以, 人们赞扬金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃”。
对科学家来讲,玻璃是任何能从液体冷却成固体而无结晶的材料。大多数金属冷却时就结晶,原子排列成有规则的形式称作晶格。如果不发生结晶并且原子依然排列不规则,就形成金属玻璃。不像玻璃板,金属玻璃不透明或者不发脆,它们罕见的原子结构使它们有着特殊的机械特性及磁力特性。普通金属由于它们晶格的缺陷而容易变形或弯曲导致永久性地失形。对比之下,金属玻璃在变形后更容易弹回至它的初始形状。缺乏结晶的缺陷使得原铁水的金属玻璃成为有效的磁性材料。
金属玻璃是 1960 年被发明的新材料,多年以来被各国科学家广泛而深入地研究。与相应的晶态合金相比,这种材料展现出非常独特的力学与物理性能,使之在多个领域都有广阔的应用前景。同时,金属玻璃作为结构无序材料中一类相对简单的代表体系,是研究非晶态物理的一个比较理想的材料模型。解决金属玻璃中的基本科学问题,比如它的结构表征、形变机理、玻璃转变、玻璃形成能力等,不仅可以促进金属玻璃本身的应用,而且也将推动整个凝聚态物理学的发展。
轻金属是相对密度小于5的金属,其中又分为有色轻金属和稀有轻金属两类。有色轻金属有铝、镁、钙、钛、钾、锶、钡等,前四种在工业上多用作还原剂,铝、镁、钛及其合金相对密度较小,强度较高,抗蚀性较强,广泛用于飞机制造和宇航等工业部门。稀有轻金属有锂、铍、铷、铯等,铍主要用于配制铍青铜,由于铍的热中子俘获截面小,又可用作原子核反应堆的结构材料。锂用作金属冶炼时的脱氧剂和除气剂,并作为热核反应材料。
轻金属资源丰富,铝、镁的地壳丰度均居**,远超过常用重有色金属。且与重有色金属仅有单一类矿物资源的情况不同,除铝外,其余的轻金属大都拥有矿物和卤水(海水及盐湖卤水、地下卤水等)两类资源。
轻金属工业矿物亦与以硫化矿为主的重有色金属工业矿物不同,前者基本均为氧化矿,主要有硅酸盐(铝土矿、霞石)、碳酸盐(菱镁矿、白云石、石灰石)、硫酸盐(明矾石、芒硝、石膏、天青石、重晶石)和磷酸盐(磷灰石)等,也有部分矿物为氯化物(食盐、钾盐、光卤石)和氟化物 (萤石)。
轻金属矿物中含有的共生有价金属,在铝工业生产中已开展综合利用工作。如铝土矿中的镓、钒,霞石矿中的钠、钾等均已开始作为副产回收。而在卤水资源中,一般均含有钠、钾、钙、镁、硼、锂、铷、铯等多种元素,综合回收这些元素尤为重要。在以卤水为资源的工业生产中,多种轻金属实际上均为综合利用的产物。
高品位轻金属矿物可在经破碎处理后直接用于冶炼,低品位轻金属矿物或者只适用于特定的方法直接进行冶炼,或者需先经选矿富集。
以卤水作为原料时,一般须先进行蒸发浓缩,然后分阶段提取各个金属盐类的富集物。如盐湖卤水经日晒蒸发后,顺次结晶析出氯化钠,钾石盐、光卤石及水氯镁石,可分别作为提取钠、钾、镁盐的原料。
特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料,以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等;还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金,以及金属基复合材料等。
具有特殊性能的金属材料,是通过特殊成型方法或通过成分设计而制成的。如非晶态金属就是将熔融金属或合金通过特殊装置,具有高强度、高导磁性、高耐腐蚀性的金属材料。如高温合金是通过成分设计得到的耐热性优良的金属材料,包括铁基奥氏体耐热钢、镍基合金、钴基合金等。
举例来说,硬质合金,硬质合金主要用于机械铸造业中的刀具,冷作模具、量具及耐磨零件,但以用于刀具方面的量。钨钴类(YG)合金主要用来切削并加工那些脆性材料,如铸铁、有色金属及合金、胶体及其他非金属材料;钨钴钛类(YT)合金主要用于加工韧性材料,如各种钢类材料。另外我国还生产一种新品种YWl和YW2的合金钢,又称通用“硬质合金”(也叫万能合金),因为它既可当作YG合金来切削铸铁和有色金属,又可用来切削各种钢材。除用于刀具外,硬质合金也用来制造冷拔模,冷冲模、冷挤模和冷镦锻模等。此外使用硬质合金后,工具和零件的寿命大大提高,可以大大提高生产率和产品质量。
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