1、第六章 铁与钢,6-1 金属通论 6-2 铁 6-3 钢 6-4 合金,6-1 金属通论,6.1.1 金属在元素周期表的位置在周期表的112种元素中，有80多种金 属，占元素总数的4/5以上。位于周期表的左 下部分。,6.1.2 金属晶体与金属键,1.金属晶体结构模型金属单质的晶体结构，可用等 径圆球密堆积模型来描述。即把金 属原子视为半径相等的刚性圆球， 它们紧密堆积，构成金属晶体。面心立方（fcc）和体心立方 （bcc）是其中常见的两种堆积方 式。,面心立方紧密堆积,体心立方紧密堆积,2.金属键理论,（1）金属自由电子理论金属原子最外层上的价电子数较少，容 易电离。在金属晶体中，从原子上脱
2、落下来 的电子，不属于某一个原子，而是在整个晶 体中自由运动，成为自由电子。这种靠自由 电子运动将金属原子（离子）联系在一起的 作用力称为金属键。 （2）金属（固体）能带理论（从略）,6.1.3 金属的物理性质,金属光泽：自由电子吸收并随后重新发射可见光，故不透明，多呈银白（灰）色的金属光泽，少数呈特殊颜色（如 Au黄色、Cu 紫红色）。常把金属分为：黑色金属(包括铁、锰、铬及其合金）和有色金属（除Fe、Cr、Mn以外的金属）两大类。,2. 导电、导热：由于自由电子的运动，金属是良导电导热的物体。其导电能力由大到小的顺序是：Ag Cu Au Al Zn Pt Fe Sn Hg 3.延展性：便于
3、冷热加工（拉丝、轧、冲压、锻造）,4.密度：除钠、钾、锂以外，其余金属都较大。轻金属 (d5.0 gcm-3 如Cu、Ni、Sn、Pb) 5.熔点：钨的最高3370，汞的最低-39 6.硬度：铬的最高。,6.1.4 金属的化学性质,1. 金属与非金属的反应金属一般都容易与O2、S、X2（卤素单质）等非金属化合反应。例如：,2.金属与水、酸和盐溶液的反应,掌握金属活动顺序表及其应用参见中学课本P136，表8-1,6.1.5 金属的冶炼,自然界存在的金属矿多为氧化物或硫化物， 金属冶炼就是把矿石中的金属还原出来。 1.热分解法：如，,2.高温还原法,如,常用的还原剂还有H2或Al、Mg等 （参阅大
4、学课本P144，氧化物G-T图，待述）,有时首先把硫化矿焙烧转化为氧化物，而后还原：,3. 电解还原法电解熔融盐或化合物，制取活泼金属。如 金属钠和铝的制取就是采用电解的方法。,4. 电解精炼金属如 电解熔融的 NaCl、KCl 和 TiCl2 混合物 （熔点仅650），粗钛为阳极，纯钛在阴极 沉积出来。,6.2 铁,6.2.1 铁的原子结构及在周期表中位置Fe的原子序数为26，原子核所含质子数 为26，核为电子数也是26。铁位于元素周期表 中的第4周期，第族，其原子结构如下：,常见价态为Fe2+，Fe3+,6.2.2 铁的化学性质,注 低价金属氧化物呈碱性，如 Na2O、MgO、FeO等。高
5、价金属氧化物呈酸性，如 Fe2O3、CrO3、Mn2O7等。酸性氧化物与碱性氧化物可生成盐类化合物，如：KMnO4、K2CrO4、Fe3O4（即 FeO Fe2O3）,1. 与氧及其他非金属反应,Fe3C在金属学中又称为渗碳体，不符合正常化合价（祥待述）,3. 铁在冷浓HNO3和浓H2SO4中，反应生成一层致密的氧化膜，防止进一步反应，此现象称为钝化。,6.2.3 铁的合金,铁碳合金是应用最广泛的铁合金，根据 含碳的多少又可分为生铁和钢两大类。生铁：含 C 量为 2.0%4.3%，另含有Si、 Mn和少量的 S 和 P。按生铁中的 C 的存在形 态不同，又分为：,1. 炼钢生铁(又称白口铁)：
6、以Fe3C形式为主,(1) 灰口铸铁：以片状石墨形式为主 (2) 可锻铸铁：以团絮状石墨形态为主 (3) 球墨铸铁：以球状石墨形态为主,2. 铸铁,铁与钢所含元素量比较：,引自：日本金属学会编钢铁冶炼冶金工业出版社（2001年）,上述五种元素对钢铁性能的影响,(1) C 和 Si 可增大钢的强度硬度 (2) Mn 提高淬透性、韧性，降低 S 的有害性 (3) P 引起的冷脆性 (4) S 引起的热脆性,6.2.4 炼铁高炉中的化学,1. 炼铁设备 2. 原料 3. 高炉内发生的反应 4. 有关生产数据 5. 提一个问题,1. 炼铁设备高炉而炼钢是用什么设备呢？ 2. 原料铁矿石(赤铁矿 Fe2
7、O3，磁铁矿 Fe3O4，其他 化学成分有如 2Fe2O33H2O、FeCO3等杂质)焦炭（C）助溶剂(石灰石 CaCO3),3.高炉内发生的化学反应,高炉的分区及其主要作用大体可如下述： 高温区(底部)：焦炭燃烧，保持铁水温度 (2) 炉腰：造渣1200 (3) 炉身：铁矿石分步被还原 (4) 炉喉：排除高炉煤气(含CO、CO2、N2等) 各分区发生的化学反应请见下页。,注：铁矿中所含 MnO、SiO2、P2O5等也被 CO 和 C 还原出来。少量的C、Si、Mn、FeS、P等溶于铁液中，形成生铁。 生铁熔点为 11001200，纯铁熔点为 1535 4. 高炉冶炼有关生产数据每生产 100
8、0 t 铁水，大约需消耗：2000 t 铁矿石（取决于矿石中 Fe2O3 含量）1000 t 焦炭，400 t 石灰石、3000 t 空气同时生成：500 t 熔渣（用于矿渣水泥，渣砖）4000 t 高炉煤气（用于预热空气）发达国家采用富氧鼓风,5.提一个问题,高炉煤气中的CO含量，能否靠加高炉子高 度而降低？为什么？,6.3 钢,6.3.1 炼钢设备及目的 6.3.2 炼钢原理及主要化学反应 6.3.3 出钢前脱氧剂的选择,6.3.1 炼钢设备及目的,炼钢设备主要有：转炉、电炉、平炉等。把生铁冶炼成钢，要解决的主要问题在 于，降低生铁中超出钢种规格范围的碳含量， 杂质元素含量，并调整合金元素
9、含量。提问：炼铁与炼钢，从化学反应来分析， 主要异同何在？请想一想。,6.3.2 炼钢原理及其主要反应,炼钢基本原理：用氧化剂把生铁中过多的 C、S、P变成气体或炉渣除去。所用氧化 剂有：空气、富氧空气、纯氧，有时也可 用优质铁矿石。例：氧气顶吹转炉炼钢。,氧气顶吹转炉,把废钢等原料装入炉内，倒入铁水（1400）。吹入氧气（纯度99%高压氧气），将发生以下反应： 2Fe + O2 = 2FeO + Q 继而杂质元素依次发生氧化反应 如下：,2FeO + Si = SiO2 + 2Fe FeO + Mn = MnO + Fe FeO + C = CO+ Fe 5FeO + 2P = P2O5 +
10、 5Fe SiO2 + CaO = CaO SiO2 （渣） P2O5 + CaO = CaOP2O5 （或 3CaOP2O5）,氧化法不能除S，故转炉法要求铁水含 S0.05%,硫在钢液中以 FeS 形式存在，一般采用石灰石来脱硫：CaCO3 = CaO + CO2 复分解反应 FeS + (CaO) = FeO + (CaS)，H =3.3 kJ mol-1 表在钢液中， （ ）表在熔渣中 或写成 S + (CaO) = O + (CaS),提 问,为什么FeS可溶于钢液，而CaS则更易于溶于渣中？ 炼钢过程中常有一种“低温脱碳，高温脱硫”的说法，当如何理解？,回 答,1. 钙比铁的金属性
11、更强，故CaS的离子型化合物比FeS更强，熔渣（盐类）成分为离子型化合物，按“相似相溶”原则，CaS更易溶于熔渣之中。 2. 脱碳在氧化期进行为放热反应；而脱硫却是吸热反应，故“低温利于脱碳，高温利于脱硫”。,炼钢在熔渣-金属液相间的脱 S、脱 P 反应比较,1. 脱硫反应及其有利条件是：S + (CaO) = O + (CaS) 高温 高碱性渣 还原性气氛(O低) 2. 脱磷反应及其有利条件是：2P + 5FeO + 3(CaO) = (3CaOP2O5) +5Fe(l) 低温 高碱性渣 氧化性气氛( 即 O 或 FeO 高 ),6.3.3 出钢前加入脱氧剂的选择,出钢前，为除去钢液中过量的
12、 FeO，需加入脱氧 剂脱氧。脱氧剂的选择应满足的条件：（1）对氧亲和力大，反应速度快；（2）脱氧产物熔点、密度低于钢液；（3）残留脱氧剂对钢性能无害；（4）价廉。,最常用脱氧剂：Mn、Si、Al,其脱氧能力顺序是：AlSi Mn 特殊脱氧剂：Ca、Mg、稀土（RE、Ce、La）等 合金使用元素：Ti、V、Cr、Zr、V等。,使用脱氧剂形式 （1）单质形式：如铝、碱土金属、稀土金属等 （2）(铁)合金形式：如Fe-Mn、Fe-Si、Ca-Si、Si-Mn-Fe 或 Si-Al-Mn、Si-Mn-Al-Fe、Ca-Si-Mn、 Si-Ti-Fe等实际操作用复合脱氧剂为多。过去称：Si-Ca 为“
13、特殊钢之父”近年采用：Si-Ba , Si-Al-Ba,脱氧剂脱氧能力与金属活动次序不尽相 同，那么，高温下脱氧能力的强弱由什么来判 断呢？ 氧化物图介绍(大学课本，144) (详细内容待述),6.4 合金,6.4.1 什么叫合金广义而言，“金属”一词也包括合金。合金是由 一种基本的金属和另外一种以上的金属（或非金属） 结合而成，从成分上看它是宏观均匀的、从性能上看 它具有金属的特征。在工业上使用的金属材料，合金比纯金属更为广 泛。比如，生铁和钢作为铁碳合金，远比纯铁应用广 泛。,合金的内部组织（晶体结构）分为两大类： . 固溶体在固态条件下，一种组分金属溶解了其它 组分（金属或非金属）所形成
14、的单一而均匀的 晶态固体叫做固溶体。固溶体保持原来基体金 属的晶格不变。,6.4.2 合金的晶体结构,例如：碳钢中的铁素体是，碳原子溶入-Fe（体心立 方）形成的间隙固溶体，碳钢中的奥氏体是，碳原子 溶入-Fe（面心立方）形成的间隙固溶体；黄铜 (Cu-Zn) 、青铜(Cu-Sn)、Cu-Ag、Pb-Sn 等合金是有限置换固溶体；Cu-Ni 可形成无限固溶体 合金。等等。,2. 金属化合物当两种金属（非金属）的原子半径和电子层结 构差别较大时，它们形成合金常以金属化合物形式 存在，金属化合物的晶格与原来的金属晶格不相 同，一般具有复杂的晶体结构。例如，渗碳体 （Fe3C）属于金属化合物，它不符合正常化合 价。,通常是原子半径较小的非金属元素C、N、B、 H 等溶入溶剂金属的晶格间隙而形成金属化合物。 当r ( 溶质 ) / r ( 溶剂 ) 0.59 时，形成复杂化合物， 如 Fe3C、Cr7C3、Fe4W2C 等。,Fe3C 具复杂的晶体结构，每个 C 原子周围有6个 Fe 原子，形成正八面体结构，而每个 Fe 原子为2个八 面体共用（参见大学课本 P.197）。 Fe3C（渗碳体） 能引起钢的强化。 提问： Fe3C 中的w (C) = ?答： w(C) = 12 / (563+12) = 0.0667 = 6.67%,
