轻金属冶金学

绪论

第一篇 氧化铝生产

第一章 氧化铝生产概况

第二章 铝酸钠溶液

第三章 拜耳法生产氧化铝

第四章 碱石灰烧结生产氧化铝

第五章 生产氧化铝的联合法流程

第六章 生产氧化铝的其它方法

第七章 铝土矿的综合利用

第二篇 铝冶金

第八章 铝电解生产概论

第九章 铝电解质的物理化学性质

第十章 铝电解过程的机理

第十一章 铝电解生产中的电流效率

第十二章 铝电解生产的电能效率和能量平衡

第十三章 铝电解的正常生产工艺

第十四章 原铝的精炼

第十五章 新法炼铝

第十六章 再生铝的生产

第三篇 镁冶金

第十七章 概论

第十八章 氧化镁生产及其氧化过程

第十九章 从氯化镁溶液制取无水氯化镁

第二十章 氯化镁电解

第二十一章 热还原法炼镁

第二十二章 精镁精炼

第二十三章 镁生产中的安全技术和三废处理

第四篇 稀有轻金属冶炼

第二十四章 铍的冶炼

第二十五章 锂的冶炼

第二十六章 碱土金属的冶炼

参考文献

发现

1808年，英国的戴维，用钾还原白镁氧(即氧化镁MgO)，最早制得少量的镁。

性质

物理性质:银白色的金属，密度1.738克/厘米3，熔点648.9℃。沸点1090℃

金属镁化合价+2，电离能7.646电子伏特，是轻金属之一，具有展性，金属镁无磁性，且有良好的热 消散性。

化学性质:具有比较强的还原性，能与热水反应放出氢气，燃烧时能产生眩目的白光，镁与氟化物、氢氟酸和铬酸不发生作用，也不受苛性碱侵蚀。但极易溶解于有机和无机酸中，镁能直接与氮、硫和卤素等化合。包括烃、醛、醇、酚、胺、脂和大多数油类在内的有机化学药品与镁仅仅轻微地或者根本不起作用。

1.与非金属单质的反应:2Mg+O2=2MgO 3Mg+N2=Mg3N2 (点燃)

2.与水的反应:Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2↑(加热)

3.与酸的反应:Mg+2HCl=MgCl2+H2 ↑

4.与氧化物的反应:2Mg+CO2=2MgO+C(点燃)

5.与空气反应:2Mg+O2=2MgO(点燃)

2Mg+CO2=2MgO+C(点燃)

3Mg+N2=Mg3N2(点燃)

来源

镁存在于菱镁矿MgCO3、白云石CaMg(CO3)2、光卤石KCl·MgCl2·H2O中。工业上利用电解熔融氧化镁或 在电炉中用硅铁等使其还原而制得金属镁，前者叫做熔盐电解法，后者叫做硅热还原法。

氯化镁可以从海水中提取，每立方英里海水含有约120亿磅镁。

元素用途:常用做还原剂，去置换钛、锆、铀、铍等金属。主要用于制造轻金属合金、球墨铸铁、科学仪器脱硫剂脱氢和格氏试剂，也能用于制烟火、闪光粉、镁盐等。

结构特性类似于铝，具有轻金属的各种用途，可作为飞机、导弹的合金材料。但是镁在汽油燃点可燃，这限制了它的应用。

用途

日常用途:体操运动员常涂镁粉来增加摩擦力.

医疗用途:治疗缺镁和痉挛。

体育用途:在紧张运动几小时前注射，或在紧张 镁运动后注射以弥补镁的流失。

风险

如果注射速度太快，会造成发烧和全身不适。

金属镁能与大多数非金属和酸反应;在高压下能与氢直接合成氢化镁;镁能与卤化烃或卤化芳烃作用合成格利雅试剂，广泛应用于有机合成。镁具有生成配位化合物的明显倾向。

镁是航空工业的重要材料，镁合金用于制造飞机机身、发动机零件等;镁还用来制造照相和光学仪器等;镁及其合金的非结构应用也很广;镁作为一种强还原剂，还用于钛、锆、铍、铀和铪的生产中。

镁在笔记本电脑中的应用在本期刊物中，你将看到戴尔公司用镁合金作为笔记本电脑的外壳，从而保护其内部组件，延长笔记本电脑的使用寿命。

这种用途利用了镁合金的高强度和耐用性。镁再次证明了其不仅可以应用在汽车、家具等领域，更可以在计算机行业满足高科技的需求。这将进一步扩大人们对镁的使用范围。

介绍

钠，原子序数11，原子量22.989768，是最常见的碱金属元素。元素名来源拉丁文，原意是"天然碱"。1807年英国化学家戴维首先用电解熔融的氢氧化钠的方法制得钠，并命名。在地壳中钠的含量为2.83%， 居第六位，主要以钠盐的形式存在。钠是有银白色光泽的软金属，用小刀就能很容易的切割。

熔点97.81°C，沸点882.9°C，密度0.97克/厘米。通常保存在煤油中。

钠是一种活泼的金属，钠与水会产生激烈的反应，生成氢氧化钠和氢;钠还能与钾、锡、锑等金属生成和金;金属钠与汞反应生成汞齐，这种合金是一种活泼的还原剂，在许多时候比纯钠更适用。钠离子能使火焰呈黄色，可用来灵敏地检测钠的存在。

性质

1. 银白色金属。2.质软。3.密度比水小，能浮在水面上。4.熔点底，小于100度。5.能导电导热。原子体积:(立方厘米/摩尔)23.7金属钠很软，可以用刀切割。切开外皮后，可以看到钠具有银白色的金属光泽。钠是热和电的良导体。钠的密度是0.97g/cm3，比水的密度小，钠的熔点是97.81℃，沸点是882.9℃。元素在太阳中的含量:(ppm) 40地壳中含量:(ppm)23000元素在海水中的含量:(ppm)10500

化学性质:钠原子的最外层只有1个电子，很容易失去。因此，钠的化学性质非常活泼，主要表现在:

1、钠跟氧气的反应

在常温时?4Na+O2=2Na2O

在点燃时?2Na+O2=Na2O2(淡黄色)过氧化钠比氧化钠稳定。

2.钠能跟卤素、硫、磷、氢等非 钠长石金属直接发生反应，生成相应的化合物，如

2Na+Cl2=2NaCl

2Na+S=Na2S(硫化钠)(跟硫化合时甚至发生爆炸。)

3.钠跟水的反应

2Na+2H2O=2NaOH+H2↑

钠的化学性质很活泼，所以它在自然界里不能以游离态存在，因此，在实验室中通常将钠保存在煤油里。钠由于此反应放出大量的热，能引起氢气燃烧，所以钠失火不能用水扑救。钠具有很强的还原性，可以从一些熔融的金属卤化物中把金属置换出来。由于钠极易与水反应，所以不能用钠把居于金属活动性顺序钠之后的金属从其盐溶液中置换出来。钠还能与钾、锡、锑等金属生成合金;金属钠与汞反应生成汞齐，这种合金是一种活泼的还原剂，在许多时候比纯钠更适用。钠离子能使火焰呈黄色，可用来灵敏地检测钠的存在。

名称

钠，原子序数11，原子量22.989768，是最常见的碱金属元素。元素名来源拉丁文，原意是"天然碱"。在地壳中钠的含量为2.83%，居第六位，主要以钠盐的形式存在。发现人:戴维 (用电解熔融的氢氧化钠的方法制得钠 )时间:1807地点:英格兰 中世纪拉丁文:sodanum(头痛药);元素符号来自于拉丁文"natrium"(钠)。

用途

纯净的金属钠并没有多大用处，然而钠的化合物可以应用在医药、农业和摄影器材中。氯化钠就是餐桌上 的食盐。液态的钠有时用于冷却核反应堆{钠钾合金在室温下呈液态，是核反应堆的导热剂，起把反应堆产生的热量传导给蒸气轮机的作用。以往金属钠主要用于制造车用汽油的抗暴剂，但由于会污染环境，已经日趋减少。金属钠还用来制取钛，及生产氢氧化钠、氨基钠、氰化钠等。熔融的金属钠在增值反应堆中可做热交换剂。

生理

1.钠是细胞外液中带正电的主要离子，参于水的代谢，保证体内水的平衡。

2.维持体内酸和碱的平衡。

3.是胰汁、胆汁、汗和泪水的组成成分。

4.参于心肌肉和神经功的调节

A.缺乏

人体内钠在一般情况下不易缺乏、但在某些情况下，如禁食、少食，膳食钠限制过严而摄入非常低时，或在高温、重体力劳动、过量出汗、肠胃疾病、反复呕吐、腹泻使钠过量排出而丢失时，或某些疾病，如艾迪生病引起肾不能有效保留钠时，胃肠外营养缺钠或低钠时，利尿剂的使用而抑制肾小管重吸收钠时均可引起钠缺乏。

钠的缺乏在早期症状不明显，倦怠、淡漠、无神、甚至起立时昏倒。失钠达0.5g/kg体重以上时，可出现恶心、呕吐、血压下降、痛性吉尔痉挛，尿中无氯化物检出。

B.过量

正常情况下，钠摄入过多并不蓄积，但某些情况下，如误将食盐当食糖加入婴儿奶粉中喂养，则可引起中毒甚至死亡。急性中毒，可出现水肿、血压上升、血浆胆固醇升高、脂肪清楚率降低、胃黏膜上皮细胞受损等。钠的适宜摄入量(AI)成人为2200mg/d。

C.来源

钠普遍存在于各种食物中，一般动物性食物高于植物性食物，但人体钠来源主要为食盐、以及加工、制备食物过程中加入的钠或含钠的复合物(如谷氨酸、小苏打等)，以及酱油、盐渍或腌制肉或烟熏食品、酱咸菜类、发酵豆制品、咸味休闲食品等

发现

1827年，德国的韦勒把钾和无水氯化铝共热，制得铝。

传说

传说在古罗马，一天，一个陌生人去拜见罗马皇帝泰比里厄斯，献上一只金属杯子，杯子像银子一样闪闪发光，但是分量很轻。它是这个人从黏土中提炼出的新金属。但这个皇帝表面上表示感谢，心里却害怕这种光彩夺目的新金属会使他的金银财宝贬值，就下令把这位发明家斩首。从此，再也没有人动过提炼 这种"危险金属"的念头，这种新金属就是现在大家非常熟悉的铝。aluminum一词就是从古罗马语alumen(明矾)衍生而来的。 而法国皇帝拿破仑三世，为显示自己的富有和尊贵，命令官员给自己制造一顶比黄金更名贵的王冠--铝王冠。他戴上铝王冠，神气十足地接受百官的朝拜，这曾是轰动一时的新闻。拿破仑三世在举行盛大宴会时，只有他使用一套铝质餐具，而他人只能用金制、银制餐具。即使在化学界，铝也被看成最贵重的。英国皇家学会为了表彰门捷列夫对化学的杰出贡献，不惜重金制作了一只铝杯，赠送给门捷列夫。俄罗斯作家车尔尼雪夫斯基曾在他的小说《怎么办》中写到:终有一天，铝将代替木材，甚至可能代替石头。看，这一切是多么奢侈，到处都是铝。 我们都知道地壳中最丰富的金属是铝，它占整个地壳总质量的7.45%，仅次于氧和硅，位居金属元素的第一位，是居第二位的铁含量的1.5倍，是铜的近4倍。

描述

银白色有光泽金属，密度2.702克/立方厘米，熔点为660.37℃，沸点为2467℃。具有良好的导热性、导电性和延展性。化合价+3，电离能5.986电子伏特。铝被称为活泼金属元素，但在空气中其表面会形成 一层致密的氧化膜，使之不能与氧、水继续作用。在高温下能与氧反应，放出大量热，用此种高反应热，铝可以从其它氧化物中置换金属(铝热法)。

例如:8Al+3Fe?O?=4Al?O?+9Fe +795千卡。(需要使用镁做引燃物) 在高温下铝也同非金属发生反应，亦可溶于酸或碱放出氢气。对水、硫化物，浓硫酸、任何浓度的醋酸，以及一切有机酸类均无作用。

制法

铝以化合态的形式存在于各种岩石或矿石里，如长石、云母、高岭石、铝土矿、明矾时，等等。有铝的氧化物与冰晶石(3NaF·AlF?)共熔电解制得。

从铝土矿中提取铝反应过程

①溶解:将铝土矿溶于NaOH(aq) Al?O?+ 2NaOH ==== 2NaAlO?(偏铝酸钠)+ H?O

②过滤:除去残渣氧化亚铁(Fe?O?)、硅铝酸钠等

③酸化:向滤液中通入过量CO?. NaAlO?+ CO?+ 2H?O ==== Al(OH)?↓+ NaHCO?

④过滤、灼烧 Al(OH)? 2Al(OH)?==高温== Al?O?+ 3H?O

注:电解时为使氧化铝熔融温度降低，在Al?O? 中添加冰晶石(3NaF·AlF?)

⑤电解:2Al?O?(I)==通电== 4Al + 3O?↑ 注:不电解熔融AlCl?炼Al 原因:AlCl?是共价化合物，其熔融态不导电。

第1 章 概述1

1. 1 轻金属焊接的发展 1

1. 1. 1 轻金属发展的战略意义 1

1. 1. 2 轻金属焊接现状 2

1. 2 轻金属的分类及性能 2

1. 2. 1 轻金属的分类 2

1. 2. 2 轻金属的主要特性 3

1. 2. 3 轻金属的热处理 6

1. 3 轻金属的焊接应用 7

1. 3. 1 轻金属焊接的难易程度 7

1. 3. 2 铝及其合金的焊接应用 8

1. 3. 3 镁及其合金的焊接应用 12

1. 3. 4 钛及其合金的焊接应用 15

第2 章 轻金属焊接方法20

2. 1 钨极氩弧焊 20

2. 1. 1 钨极氩弧焊的特点 20

2. 1. 2 电源极性及应用范围 23

2. 1. 3 钨极氩弧焊的焊接材料 25

2. 1. 4 轻金属钨极氩弧焊工艺 28

2. 1. 5 特种钨极氩弧焊技术 36

2. 2 熔化极氩弧焊 39

2. 2. 1 熔化极氩弧焊的特点 39

2. 2. 2 熔化极氩弧焊的熔滴过渡 40

2. 2. 3 保护气体和焊丝 42

2. 2. 4 轻金属熔化极氩弧焊工艺 44

2. 2. 5 脉冲熔化极氩弧焊 51

2. 3 激光焊 53

2. 3. 1 激光焊的特点 53

2. 3. 2 轻金属激光焊的工艺特点 56

2. 3. 3 激光-电弧复合焊接技术 58

2. 3. 4 轻金属激光焊的应用 59

2. 4 搅拌摩擦焊 61

2. 4. 1 搅拌摩擦焊的特点 61

2. 4. 2 搅拌摩擦焊的产热和塑性流变 63

2. 4. 3 搅拌摩擦焊设备及工艺 64

2. 4. 4 轻金属搅拌摩擦焊的特点 68

2. 4. 5 搅拌摩擦焊缺陷与摩擦塞焊修复 69

第3 章 铝及铝合金焊接72

3. 1 铝及铝合金的特性和焊接特点 72

3. 1. 1 铝及铝合金的分类、成分和性能 72

3. 1. 2 铝及铝合金的焊接特点 78

3. 1. 3 铝合金焊接方法的选用 79

3. 1. 4 铝用焊接材料 83

3. 2 铝及铝合金的焊接性分析 89

3. 2. 1 焊缝中的气孔 89

3. 2. 2 焊接热裂纹 92

3. 2. 3 焊接接头的力学性能 95

3. 2. 4 铝合金焊接修复和焊接性评定 99

3. 3 铝及铝合金焊接工艺 101

3. 3. 1 焊前准备 101

3. 3. 2 铝及铝合金的气焊 102

3. 3. 3 铝及铝合金的钨极氩弧焊 104

3. 3. 4 铝及铝合金的熔化极氩弧焊 108

3. 3. 5 铝及铝合金的搅拌摩擦焊 115

3. 3. 6 铝及铝合金的钎焊 123

3. 4 铝及铝合金焊接实例 130

3. 4. 1 铝制冷凝器端盖的气焊 130

3. 4. 2 铝制容器手工TIG 焊 131

3. 4. 3 铝储罐的半自动MIG 焊 132

3. 4. 4 铝合金压力罐的自动MIG 焊 133

3. 4. 5 铝波导零件的真空钎焊 134

3. 4. 6 铝制板翅式冷却器(或换热器)的钎焊 135

3. 4. 7 铝合金计算机机箱的真空钎焊 139

3. 4. 8 铝锂合金的焊接 140

3. 4. 9 5A06 铝合金搅拌摩擦点焊 143

第4 章 镁及镁合金的焊接145

4. 1 镁及镁合金分类、性能及焊接性 145

4. 1. 1 镁及镁合金的分类及应用 145

4. 1. 2 镁及镁合金的成分及性能 148

4. 1. 3 合金元素对镁合金组织性能的影响 152

4. 1. 4 镁及镁合金的焊接性分析 154

4. 2 镁及镁合金焊接工艺 158

4. 2. 1 焊接材料及焊前准备 158

4. 2. 2 镁及镁合金的氩弧焊 162

4. 2. 3 镁及镁合金的电阻点焊 165

4. 2. 4 镁及镁合金的钎焊 166

4. 2. 5 镁及镁合金的其他焊接方法 171

4. 2. 6 镁及镁合金焊接安全 174

4. 3 镁及镁合金焊接实例 174

4. 3. 1 AZ31B 镁合金薄板的钨极氩弧焊 174

4. 3. 2 航空航天用镁合金气密门自动TIG 焊 175

4. 3. 3 电子控制柜镁合金组合件气体保护焊 176

4. 3. 4 镁合金汽轮机喷嘴裂纹的电子束焊修复 177

4. 3. 5 飞机发动机镁合金铸件裂纹的TIG 焊修复 178

4. 3. 6 AZ31B/ AZ61A 异种镁合金的搅拌摩擦焊 179

4. 3. 7 镁合金超声波振动钎焊 182

4. 3. 8 镁合金自行车架的脉冲交流TIG 焊 183

4. 3. 9 ZM 镁合金铸件缺陷的补焊 185

4. 3. 10 中厚度镁合金激光焊 188

第5 章 钛及钛合金的焊接190

5. 1 钛及钛合金的分类和性能 190

5. 1. 1 钛及钛合金的分类 190

5. 1. 2 钛及钛合金的化学成分及性能 192

5. 2 钛及钛合金的焊接性分析 197

5. 2. 1 焊接接头区脆化 197

5. 2. 2 焊缝熔化、凝固和裂纹倾向 201

5. 2. 3 焊缝中的气孔 202

5. 2. 4 焊接接头的组织变化 203

5. 3 钛及钛合金的焊接工艺 204

5. 3. 1 钛及钛合金的惰性气体保护焊 205

5. 3. 2 钛及钛合金的等离子弧焊 215

5. 3. 3 钛及钛合金的电子束焊 216

5. 3. 4 钛及钛合金的其他焊接方法 217

5. 4 钛合金的激光熔覆 222

5. 4. 1 钛合金激光熔覆的特点 223

5. 4. 2 钛合金激光熔覆层 224

5. 4. 3 钛合金激光熔覆工艺及参数 230

5. 4. 4 钛合金激光熔覆的应用 234

5. 5 钛及钛合金焊接实例 237

5. 5. 1 Ti -6Al -4V 钛合金气瓶的TIG 焊 237

5. 5. 2 乙烯工程中钛管的焊接 237

5. 5. 3 凝汽器与蒸发器纯钛部件的TIG 焊 239

5. 5. 4 发动机钛合金组件的电子束焊 240

5. 5. 5 TC4 钛合金壳体的手工氩弧焊 241

5. 5. 6 TA10 钛合金燃料储罐的焊接 244

5. 5. 7 深潜器钛合金框架结构的焊接 247

5. 5. 8 TC4 钛合金舱体的焊接 250

5. 5. 9 钛合金张力贮箱毛细元件的焊接 251

第6 章 异种轻金属的焊接253

6. 1 铝与钛的焊接 253

6. 1. 1 铝与钛的焊接特点 253

6. 1. 2 铝与钛的焊接工艺 254

6. 2 铝与镁的焊接 258

6. 2. 1 铝与镁的焊接特点 258

6. 2. 2 铝与镁的钨极氩弧焊 259

6. 2. 3 铝与镁的扩散焊 264

6. 3 铝与铜的焊接 270

6. 3. 1 铝与铜的焊接特点 270

6. 3. 2 铝与铜的熔化焊 272

6. 3. 3 铝与铜的压焊 276

6. 3. 4 铝与铜的钎焊 281

6. 4 铝与钢的焊接 289

6. 4. 1 铝与钢的焊接特点 289

6. 4. 2 铝与钢的焊接工艺 290

6. 4. 3 铝与钢的焊接实例 294

6. 5 钛与铜(或钢)的焊接 296

6. 5. 1 钛与铜的焊接特点 296

6. 5. 2 钛与铜的钨极氩弧焊 297

6. 5. 3 钛与铜的扩散焊 298

6. 5. 4 钛与铜的电阻钎焊 299

6. 5. 5 钛与钢的焊接特点 300

6. 5. 6 钛与钢的焊接工艺特点 300

参考文献303

英文名:light metal

如铝的比重是2.7，镁的比重是1.74，而钾的比重只有0.87，钠只有0.97;其次是化学活性大，与氧、硫、碳和卤素的化合物均非常稳定。铝是地壳中最多的一种金属元素，约为8%，呈银白色，铝是轻金属中用量最大的一种，其产量和消费量均仅次于钢铁，是第二大金属。

按冶金工业中有色金属的分类法，密度小于4.5g/立方匣米的金属并不都归入轻金属，如锂、铷、铯、铍归入稀有金属(分属稀有轻金属)，钛归入稀有金属中的难熔金属。