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钪和含钪合金 

  • 【作 者】: 尹志民,潘清林,姜锋,李汉广
  • 【出 版 社】: 中南大学出版社
  • 【出版时间】: 2007-12
  • 【ISBN】: 978-7-81105-372-2
  • 【字 数】: 486(千字)                 【页 码】: 581(页)
  • 【定 价】: ¥58.00(元)                 【开 本】: 32开
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内容简介

作者意欲在自己多年学术研究和科研成果的基础上完成这一任务。本书收集了20世纪80年代以来钪和含钪合金的最新研究成果,其中包括了作者自己在几个国家项目资助下所取得的系列成果。全书在内容安排上,注重钪冶金和含钪合金制备过程的化学冶金和物理冶金基础,同时以应用为导向,对钪中间合金、含钪铝合金的化学冶金和物理冶金基础及其开发应用进行了重点阐述。在写法上突出理论原理和学术成就对生产实际和应用开发的指导作用。

本书第1章和第2章由李汉广编写,第3章由姜锋编写,第5章中的“Al-Mg-Sc系合金的实验研究”、第6章中的“Al-Zn-Mg-Mn-Sc-Zr合金”和“Al-Zn-Mg-Mn-Cu-Sc-Zr合金”、第7章中的“铝铜锂钪系合金实验研究”和第8章的“铝锂铜镁钪系合金”由潘清林编写,第4章、第9章、第5章以及第6章、第7章、第8章的其余部分由尹志民编写,第10章由宋练鹏编写。作者在编写本书的过程中参考了大量文献和资料。特别是俄罗斯专家几次应邀来华访问期间和作者赴俄罗斯留学和访问期间得到了莫斯科全俄轻合金研究院V.Z.Zakharov教授、Ju.A.Filatov教授等的帮助,他们向我们提供了在国内无法得到的前苏联在钪和含钪铝合金方面的研究资料,作者从中获益匪浅。与此同时,作者在含钪合金研究过程中,得到了2项国家自然科学基金、2项国家973子项目、1项总装预研项目、3项国家863高技术新材料项目和1项科技部国际合作重点项目的资助,这些研究项目为本书的编著提供了丰富的素材。在此,谨向所有提供参考文献的作者和资助单位表示衷心的感谢。同时,也对在本书编写过程中提供过大量帮助的博士生和硕士生们表示谢意,他们是:博士生聂波、徐国富、彭勇宜、何运斌、梁文杰、雷学锋、何振波,硕士生高拥政、张永红、杨磊、尹松波、郭飞跃、朱大鹏、陈显明、白兰、朱朝明、杨进、王新宇、周昌荣、邹亮、刘元斐、陈苏里、肖静、牟申周、李雪、蒋春丽、蒋蓉蓉等,作者在此一并表示深深的谢意。

目 录

第1章 钪及其化合物的性质与资源………………… (1)
1.1 钪的发展简史………………………………………… (1)
1.2 钪及其化合物的性质………………………………… (2)
1.2.1 物理性质………………………………………… (2)
1.2.2 化学性质………………………………………… (8)
1.2.3 钪的主要化合物及其性质……………………… (9)
1.2.4 钪的毒性……………………………………… (40)
1.3 钪的资源、应用开发和主要用途…………………… (41)
1.4 钪的地球化学……………………………………… (45)
第2章 钪及其化合物的提取冶金…………………… (49)
2.1 含钪化合物的提取冶金…………………………… (49)
2.1.1 原料来源……………………………………… (49)
2.1.2 含钪原料的预处理…………………………… (55)
2.1.3 钪在湿法冶金水溶液中的形态……………… (55)
2.1.4 含钪化合物的分离提纯方法………………… (71)
2.1.5 附属矿产品中提取钪的方法………………… (129)
2.2 金属钪的制取……………………………………… (187)
2.2.1 制取金属钪的工业原料……………………… (187)
2.2.2 热还原法制取金属钪………………………… (194)
2.2.3 熔盐电解法制取金属钪……………………… (206)
2.3 高纯金属钪的制取………………………………… (208)
2.3.1 真空蒸馏法…………………………………… (209)
2.3.2 熔盐电解精炼法……………………………… (215)
2.3.3 固相电解法…………………………………… (220)
2.3.4 区熔-电迁移联合法………………………… (221)
第3章 钪中间合金…………………………………… (223)
3.1 概述………………………………………………… (223)
3.2 对掺法制取钪中间合金…………………………… (224)
3.2.1 对掺法原理…………………………………… (224)
3.2.2 对掺方法……………………………………… (225)
3.3 金属热还原法制取钪中间合金…………………… (226)
3.3.1 钪化合物金属热还原体系的热力学分析…… (226)
3.3.2 氟化钪铝热还原反应制备钪中间合金……… (232)
3.3.3 氯化钪铝镁热还原反应制备钪中间合金…… (235)
3.4 熔盐电解法制取钪中间合金……………………… (250)
3.4.1 氯化钪熔盐电解法制备钪中间合金………… (250)
3.4.2 氟盐介质熔盐电解法制备铝钪中间合金…… (256)
第4章 铝钪合金物理冶金基础…………………… (265)
4.1 铝钪合金相图……………………………………… (265)
4.1.1 含钪二元合金相图…………………………… (265)
4.1.2 含钪三元合金相图…………………………… (271)
4.1.3 Al-Mg-Sc-Zr系和Al-Zn-Mg-Sc-Zr系
热力学性能评估……………………………… (283)
4.2 钪在铝合金凝固过程中的作用…………………… (285)
4.2.1 钪对铸造晶粒组织的变质和细化作用……… (287)
4.2.2 过饱和及超过饱和固溶体的形成…………… (292)
4.3 铝钪合金固溶体分解特征………………………… (294)
4.3.1 分解动力学…………………………………… (294)
4.3.2 分解过程中的强化效应……………………… (298)
4.3.3 不同添加元素对强化效应的影响…………… (300)
4.3.4 非连续分解…………………………………… (309)
4.4 铝钪合金的再结晶………………………………… (312)
4.4.1 铝钪合金过饱和固溶体分解程度对再结晶的影响
………………………………………………… (313)
4.4.2 钪含量与加工半成品再结晶的关系………… (315)
4.4.3 Fe、Si含量的影响…………………………… (317)
4.4.4 Mg、Zn含量的影响…………………………… (318)
4.4.5 Cu含量的影响………………………………… (320)
4.4.6 Mn、Cr和Zr含量的影响…………………… (321)
4.5 铝钪合金板材的各向异性………………………… (323)
4.5.1 铝钪合金板材力学性能平面各向异性……… (323)
4.5.2 铝钪合金板材的晶体学取向………………… (325)
4.5.3 铝钪合金板材的显微组织特点……………… (326)
4.5.4 铝钪合金板材平面各向异性的起因………… (327)
4.6 铝钪合金的超塑特性……………………………… (331)
4.6.1 铝钪合金超塑变形行为……………………… (331)
4.6.2 合金超塑变形机制…………………………… (333)
4.6.3 超塑变形过程中空洞的形成与断裂………… (336)
4.7 铝钪合金的耐蚀特性……………………………… (339)
4.7.1 铝钪合金抗剥落腐蚀特性…………………… (339)
4.7.2 铝钪合金抗应力腐蚀特性…………………… (342)
4.8 铝钪合金的焊接特性……………………………… (343)
4.8.1 铝钪合金配用焊丝材料的选择……………… (343)
4.8.2 钪对铝合金焊接接头性能的影响…………… (344)
4.8.3 钪对铝合金焊接接头显微组织结构的影响… (350)
4.8.4 钪对铝合金焊接接头焊缝强度的影响……… (355)
4.8.5 钪对铝合金焊接接头热影响区组织与性能的影响
………………………………………………… (356)
4.9 铝钪合金的疲劳断裂特性………………………… (358)
4.9.1 钪对Al-Mg-Mn合金疲劳寿命的影响…… (358)
4.9.2 晶粒结构对疲劳性能的影响………………… (360)
4.9.3 亚结构和析出相对疲劳性能的影响………… (362)
第5章 铝镁钪系合金………………………………… (363)
5.1 铝镁系和铝镁钪系合金研究概况………………… (364)
5.1.1 传统Al-Mg-Mn合金……………………… (364)
5.1.2 新型铝镁钪系合金…………………………… (367)
5.2 Al-Mg-Sc系合金的实验研究………………… (370)
5.2.1 Al-Mg-Sc系合金的制备…………………… (370)
5.2.2 微量Sc对Al-Mg合金拉伸性能的影响
………………………………………………… (370)
5.2.3 微量Sc对不同处理态Al-Mg合金显微组织的
影响…………………………………………… (371)
5.2.4 Al-Mg-Sc合金的再结晶…………………… (374)
5.3 Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金实验研究…………… (380)
5.3.1 研究合金的制备……………………………… (380)
5.3.2 微量Sc、Zr对Al-Mg合金铸造组织的影响
………………………………………………… (381)
5.3.3 均匀化退火对Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金组织
性能的影响…………………………………… (384)
5.3.4 微量钪和锆对热轧和冷轧态合金组织性能的影响
………………………………………………… (390)
5.3.5 稳定化退火对含钪和不含钪Al-Mg-Mn合金的
组织和性能的影响…………………………… (394)
5.3.6 微量Sc,Zr在Al-Mg-Mn-Sc-Zr合金中的
存在形式和强化机制………………………… (400)
5.4 铝镁钪系合金配用焊丝…………………………… (404)
5.4.1 焊丝合金成分设计…………………………… (405)
5.4.2 焊丝合金熔炼和铸造………………………… (406)
5.4.3 铸锭均匀化处理……………………………… (406)
5.4.4 焊丝合金挤压和拉拔………………………… (408)
5.4.5 中间退火温度、时间及次数的确定………… (410)
5.4.6 焊丝表面的处理……………………………… (410)
5.4.7 成品焊丝……………………………………… (412)
5.5 工业铝镁钪系合金及其应用……………………… (412)
5.5.1 01570合金…………………………………… (413)
5.5.2 01570c合金…………………………………… (417)
5.5.3 01571合金…………………………………… (417)
5.5.4 01545合金…………………………………… (418)
5.5.5 01535合金…………………………………… (418)
5.5.6 01523合金…………………………………… (419)
5.5.7 01515合金…………………………………… (420)
第6章 铝锌镁钪系合金……………………………… (421)
6.1 铝锌镁钪系合金研究概况………………………… (421)
6.1.1 传统的Al-Zn-Mg合金…………………… (421)
6.1.2 含钪的Al-Zn-Mg合金…………………… (425)
6.2 铝锌镁钪系合金实验研究………………………… (426)
6.2.1 Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金…………………… (426)
6.2.2 Al-Zn-Mg-Mn-Sc-Zr合金…………… (430)
6.2.3 Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金…………… (434)
6.3 工业铝锌镁钪系合金……………………………… (440)
6.3.1 01970合金…………………………………… (440)
6.3.2 01975合金…………………………………… (446)
6.3.3 01981合金…………………………………… (447)
第7章 铝铜钪系和铝铜锂钪系合金……………… (448)
7.1 铝铜系和铝铜钪系合金研究概况………………… (448)
7.2 铝铜钪系合金实验研究…………………………… (450)
7.2.1 实验合金的化学成分………………………… (450)
7.2.2 微量钪对铸态和均匀化处理态Al-Cu合金组织
和性能的影响………………………………… (451)
7.2.3 微量钪对热轧和冷轧处理态Al-Cu合金硬度
的影响………………………………………… (463)
7.2.4 微量钪对固溶-时效处理态Al-Cu-Sc合金
组织性能的影响……………………………… (466)
7.3 铝铜锂钪系合金实验研究………………………… (477)
7.3.1 微量Sc和Zr对Al-Cu-Li合金拉伸性能的
影响…………………………………………… (477)
7.3.2 微量Sc和Zr对Al-Cu-Li合金显微组织
的影响………………………………………… (477)
7.3.3 Al-3.5Cu-1.5Li-0.5Mg-0.25(Sc+Zr)
合金的热处理………………………………… (480)
7.4 工业铝铜锂钪系合金……………………………… (490)
7.4.1 1460合金……………………………………… (490)
7.4.2 1464合金……………………………………… (491)
第8章 铝镁锂钪系和铝锂铜镁钪系合金………… (493)
8.1 铝镁锂系和铝镁锂钪系合金……………………… (493)
8.1.1 研究概况……………………………………… (493)
8.1.2 Al-Mg-Li-Zr-Ag合金实验研究………… (494)
8.1.3 工业铝镁锂钪系合金………………………… (498)
8.2 铝锂铜镁钪系合金………………………………… (502)
8.2.1 微量Sc对2195铝锂合金组织与性能
的影响………………………………………… (502)
8.2.2 微量Sc对2197铝锂合金组织和力学性能的影响
………………………………………………… (505)
8.2.3 微量Sc对8090铝锂合金组织与性能的影响
………………………………………………… (508)
第9章 钛铝钪合金…………………………………… (513)
9.1 TiAl基合金研究概况……………………………… (513)
9.1.1 TiAl基合金的性能…………………………… (513)
9.1.2 TiAl基合金研究进展………………………… (514)
9.2 钛铝钪合金实验研究……………………………… (518)
9.2.1 材料与实验方法……………………………… (518)
9.2.2 微量钪对室温显微组织和力学性能的影响
(520)
…………
……………………………………………………………
9.2.3 微量钪对TiAl基合金高温力学性能的影响
………………………………………………… (526)
9.2.4 不同铝含量TiAl基合金高温压缩变形屈服应力
产生差异的原因……………………………… (529)
9.2.5 TiAl基合金高温压缩变形后层片状晶团出现等
轴晶的原因…………………………………… (531)
9.2.6 微量钪在TiAl基合金中的存在形式及其对合金
高温力学性能的影响………………………… (532)
第10章 其他含钪材料……………………………… (533)
10.1 钪在其他合金系中的应用……………………… (533)
10.1.1 钪在镁合金中的作用……………………… (533)
10.1.2 钪在铸铁中的作用………………………… (535)
10.1.3 钪在其他合金中的应用…………………… (537)
10.2 钪在电光源和光学材料工业中的应用………… (538)
10.2.1 钪在电光源工业中的应用………………… (538)
10.2.2 钪在光学材料工业中的应用……………… (539)
10.3 钪在电子工业中的应用………………………… (540)
10.3.1 钪在各种半导体器件中的应用…………… (540)
10.3.2 钪在电子及电磁学材料中的应用………… (541)
10.4 钪在特种陶瓷中的应用………………………… (543)
10.4.1 钪作为氧化锆的稳定剂…………………… (543)
10.4.2 钪作为氮化硅的致密助剂………………… (545)
10.4.3 钪在铁电陶瓷中的应用…………………… (545)
10.4.4 钪在TiC陶瓷中的应用…………………… (546)
10.4.5 钪在涂层材料中的应用…………………… (546)
10.5 钪在玻璃工业中的应用………………………… (547)
10.6 钪在能源和放射化学工业中的应用…………… (547)
10.7 钪在催化剂工业方面的应用…………………… (548)
10.8 钪在分析化学方面的应用……………………… (549)
10.9 钪在医学方面的应用…………………………… (549)
10.10 钪在农业方面的应用…………………………… (550)
10.11 钪在环境保护方面的应用……………………… (550)
参考文献…………………………………………………… (551)

前言/作者简介

钪的原子序数为21,从外层电子组态来看,钪为3d元素,其性能与外层有4f电子围绕的稀土元素有明显的差别,钪的晶格常数、密度和某些物理、机械性能更近似于元素周期表中近邻的铝和钛。

钪是典型的分散元素,它实际上不形成独立的矿床但在自然界中的分布相当广泛,在地壳中的丰度为6×10-4(克拉克值),与砷的丰度相近,比许多常见金属如锑、铋、金、银以及稀土元素如铕、镝、钬、铒、铥、镱、镥等还要丰富。钪在地球上主要以伴生矿的形式存在。

20世纪70年代到80年代,前苏联在军备竞赛和计划经济时期投入了大量的人力和物力,从有色金属钨、钛、铀、铝等的生产过程的副产品中综合回收钪,对钪的性质、生产和应用进行了比较全面系统的研究。他们不仅拥有湿法冶金提取钪和制备钪化合物的技术,而且可以生产出包括锭、丝、棒、箔、膜、粉末和单晶钪的各种材料,纯度达99.0% ~99.9999%。在此基础上,俄罗斯还率先开展了含钪合金的研究,开发了许多实用的工业含钪合金,并在航空航天、舰艇、核能等许多高技术新材料领域获得了应用。1994年10月,在莫斯科召开的第一次钪国际科技会议成为钪发展史上的一个新的里程碑。此后,许多国家,包括中国,掀起了钪的生产和研究热潮。近年来,钪及其化合物的应用研究不断深入,随着钪生产和科技的发展,发现了其愈来愈多的潜在用途,钪及其化合物的实际应用领域迅速扩大。在西方国家,特别是日本和美国,钪在电光源中的应用研究取得了巨大进步,如钪钠灯得到了日益广泛的应用。

我国钪资源丰富,特别是我国的丰产矿物如铝土矿和磷块岩矿床、华南斑岩型和石英脉型钨矿床、华南稀土矿、内蒙古白云鄂博稀土铁矿床和四川攀枝花钒钛磁铁矿床等均含有钪。据估计,在铝土矿和磷块岩矿中的钪储量就约占所有含钪矿床总储量的51%,其含量通常为世界铝土矿钪平均含量(按Sc2O3计为38μg·g-1)的1~4倍,有可能成为我国的钪提取的主要矿源。我国是世界钪市场上氧化钪初级产品的主要输出国,如何把我国钪资源优势转化为资源-技术优势是我国冶金材料科学工作者面临的重大课题。

在我国,钪冶金已经有相当的规模,铝钪合金的研究也已列入国家“十五”和“十一五”规划,我国钪冶金及含钪合金的研究与开发将迎来一个新的繁荣时期。但是目前国内外还没有一本从理论和实践上全面深入系统介绍钪和含钪合金的专著,从事钪资源研究、钪冶金和含钪合金研究与开发的科技工作者、厂矿技术人员及相关的大专院校师生希望有一本全面论述钪和含钪合金的专著。

作者意欲在自己多年学术研究和科研成果的基础上完成这一任务。本书收集了20世纪80年代以来钪和含钪合金的最新研究成果,其中包括了作者自己在几个国家项目资助下所取得的系列成果。全书在内容安排上,注重钪冶金和含钪合金制备过程的化学冶金和物理冶金基础,同时以应用为导向,对钪中间合金、含钪铝合金的化学冶金和物理冶金基础及其开发应用进行了重点阐述。在写法上突出理论原理和学术成就对生产实际和应用开发的指导作用。

本书第1章和第2章由李汉广编写,第3章由姜锋编写,第5章中的“Al-Mg-Sc系合金的实验研究”、第6章中的“Al-Zn-Mg-Mn-Sc-Zr合金”和“Al-Zn-Mg-Mn-Cu-Sc-Zr合金”、第7章中的“铝铜锂钪系合金实验研究”和第8章的“铝锂铜镁钪系合金”由潘清林编写,第4章、第9章、第5章以及第6章、第7章、第8章的其余部分由尹志民编写,第10章由宋练鹏编写。作者在编写本书的过程中参考了大量文献和资料。特别是俄罗斯专家几次应邀来华访问期间和作者赴俄罗斯留学和访问期间得到了莫斯科全俄轻合金研究院V.Z.Zakharov教授、Ju.A.Filatov教授等的帮助,他们向我们提供了在国内无法得到的前苏联在钪和含钪铝合金方面的研究资料,作者从中获益匪浅。与此同时,作者在含钪合金研究过程中,得到了2项国家自然科学基金、2项国家973子项目、1项总装预研项目、3项国家863高技术新材料项目和1项科技部国际合作重点项目的资助,这些研究项目为本书的编著提供了丰富的素材。在此,谨向所有提供参考文献的作者和资助单位表示衷心的感谢。同时,也对在本书编写过程中提供过大量帮助的博士生和硕士生们表示谢意,他们是:博士生聂波、徐国富、彭勇宜、何运斌、梁文杰、雷学锋、何振波,硕士生高拥政、张永红、杨磊、尹松波、郭飞跃、朱大鹏、陈显明、白兰、朱朝明、杨进、王新宇、周昌荣、邹亮、刘元斐、陈苏里、肖静、牟申周、李雪、蒋春丽、蒋蓉蓉等,作者在此一并表示深深的谢意。

钪和含钪合金发展很快,内容也很丰富,但限于时间和作者水平,书中不妥之处在所难免,竭诚希望同行专家、读者批评指正。

作者
2007年8月8日

序/读者评论

钪的原子序数为21,在元素周期表中与Ti,V,Cr,Mn等过渡族金属元素同周期,又与La,Ce,Pr,Nd等稀土元素同族。从外层电子组态来看,钪具有3d型电子结构。钪的晶格常数、密度和某些物理机械性能更接近周期表上近邻的铝和钛,与具有4f型电子结构的稀土元素的性能有较大的差别。钪的化合物、钪和含钪合金有一系列独特的性能,在国防和高技术领域有重要用途,受到国内外材料学界的广泛关注。

20世纪70年代初至90年代末,前苏联从有色金属钨、钛、铀、铝等的冶金废渣和尾矿中提取和回收了其中的钪,开展了大量的基础研究和主要为军工用途的应用开发,形成了比较完整的钪及其材料的研究、生产和应用开发体系。1994年莫斯科第一次国际钪冶金和钪材料科技会议以后,在世界范围内掀起了一轮钪的研究开发热潮。

我国钪资源丰富,是世界市场上钪冶金初级产品主要生产国和输出国,但其深加工及其应用研究开发仍然处在初级阶段。加强钪冶金和钪材料的研究、生产和应用开发,建立独具特色的钪冶金和钪材料工业体系,将钪资源优势转变为资源-技术优势是我国钪冶金材料科技发展的紧迫任务。

中南大学钪和含钪合金科研组在国家自然科学基金、国家重点基础研究项目(973)、总装预研项目、国家863高技术新材料项目和科技部国际合作基金的资助下,对钪和含钪合金进行了比较深入的研究。中南大学、东北轻合金有限责任公司、西南铝业集团公司紧密合作,形成了具有自主知识产权的钪中间合金、高性能铝钪合金板材、型材、锻件及其配用焊丝的制备技术,初步搭建了具有中国特色的铝钪合金研究开发应用平台,为铝钪合金在航天航空、舰船等领域的应用提供了材料和技术的支撑。

在上述研究成果的基础上,钪和含钪合金科研组的专家们收集和整理了20世纪80年代以来国内外在钪冶金和钪材料领域的研究成果,撰写了《钪和含钪合金》。这是一本系统阐述钪冶金和钪材料及其应用的专著,它的出版对从事这个领域实验研究和应用的工程技术人员有重要参考价值,对我国钪冶金材料科技发展也将产生很大的推动和促进作用。

中国工程院院士
黄伯云
2007年8月

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