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稀土金属

——冶金工业的维生素

陈念贻

冶金工业的维生素

有人把稀有金属叫做冶金工业的维生素,意思是说,正像少量维生素能够大大增加食物的营养价值一样,许多金属材料只要加入少量稀有金属,性能就有极大的改进。

这样的例子确实是很多的,我们已经介绍过:在铜中加入百分之二的铍,可以得到硬度、强度极高,并且弹性好的铍青铜。在不锈钢中加入百分之二的钼,可以使抵抗硫酸的能力加大十几倍。很多稀有金属,像钨、钼、钒等加到钢铁里,可以大大提高钢的强度。

稀土金属也是一些用处很大的“维生素”。在镁合金、镍合金、不锈钢、铝合金和钴合金里加了稀土金属以后,都能够大大地改进性能。它们有的增加了“抗疲劳”的能力,有的改进了“加工性能”,有的增加了“抗氧化”本领。

从金属材料“短命”说起

金属材料长期受到曲挠和振动,有时候会突然断裂,这种“急病”就叫做疲劳。飞机或船舶部件的疲劳,曾经造成不少次严重事故。许多长期受振动的机械,像喷气涡轮或者蒸汽涡轮的叶片,每秒钟得经受一千次振动,都要用“抗疲劳”性能好的材料来制造,才能够延长“寿命”。

金属材料还有一种叫做“高温氧化”的病指一些耐高温的金属,在高温条件下,虽能保持原有的强度,遗憾的是高温能促使这些金属与空气中的氧化合成金属的氧化物(如钨就会氧化为粉末,钼就会氧化为气体),其耐高温的特性也就丧失殆尽。——编者。有些金属另外有一种病,就是在加工的时候发生裂纹,还没有成材就“夭折”了。

使合金材料“延年益寿”

许多合金只要加入少量稀土金属,就可以使它们增加“抗疲劳”、“抗氧化”的本领,延长使用寿命。

在镁合金中加入稀土金属,有很大的好处。含有锆和稀土金属的镁合金,不但“抗疲劳”性能好,更重要的是在比较高的温度下还有很好的强度,重量也只有铝合金的四分之三,目前都用它来制造喷气式飞机。

不锈钢管在工业上的用处很大,但是制造起来很困难。因为用不锈钢做管子的时候,非常容易出裂纹,造成废品。如果在不锈钢中加入万分之二的稀土金属,它就不容易出裂纹,可以大大减少废品。

在镍合金中加入千分之二的稀土金属,也可以增加它的耐氧化性质。在电炉的电热丝中加入少量稀土金属,更可以成倍地延长电热丝的寿命。

在日常生活中

九十多年前,奥国化学家奥爱尔发现,把稀土元素氧化物放到火焰中去,能够发出明亮的白光来,于是就建议用稀土元素氧化物来做汽油灯上的纱罩,使它发出强度光亮来照明。但是,当时稀土元素的来源很缺,奥爱尔四处寻找,终于在南美洲巴西的海滩上,找到了大量稀土元素的矿石——独居石。从此,巴西的独居石就大量运到欧洲去制造纱罩。这种纱罩的年产量最高达到三亿多只,后来因为发明了电灯,它的销路才大大减少下来。

稀土元素铈和铁的合金在冲击的时候能够发出火花,因此可以用来做打火机上的火石。

稀土元素的氟化物可以用来制造探照灯和放映电影的弧光灯,还可以用来做原子能工业上用的玻璃。

难解难分的十六个兄弟

在已经知道的一百零七种化学元素中,按照门捷列夫元素周期表排列的时候,我们可以发现,从镧开始直到镥为止有一块长条,上面写着十五个镧系元素的名字:镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。它们和另外一种元素钇在一起,就叫做稀土元素。

但是,在稀土金属刚发现的时候,人们曾经把它们当做是一种金属,后来经过仔细的研究,才知道原来是上面这十六种金属的混合物。它们好像十六个兄弟,长得非常相像,也就是说,它们的物理性质和化学性质很接近,用普通的化学方法极难使它们分开。因此,现在大部分稀土金属都是当做“混合金属”生产的。

“混合金属”是用熔盐电解法生产的。将独居石和硫酸起作用,使生成的稀土元素的硫酸盐溶解到水里,用化学方法除去杂质,然后使稀土元素变成氯化物,再放在电解炉里通上直流电,制取混合金属。

大同小异,各有千秋

我们说这十六个兄弟长得非常相像,这是指它们的大多数性质来说的,并不是说它们的一切性质和本领都完全一样。实际上,它们在某些个别性质上差得很远,这就使得个别稀土金属的某些性能和混合金属大不相同。

钇是一个突出的例子。它很轻,比重比钛还小一些。耐高温的本领却超过钛,因此是一种有希望的火箭材料。同时,钇吸收中子少。所以已被制成管子,用来装摄氏一千度的液体铀合金,建造一种高效率的原子反应堆。钇锆合金也是原子能工业的材料。

铥是另外一个突出的例子。它可以制造一种携带方便的手提式X光透视机。原来目前的Χ光是用高压电通过复杂的设备发生的,因此Χ光机不但非常笨重,而且没有电源的地方就不能用。铥不需要任何电源,就能够放出好像Χ光的射线,这就使Χ光的应用更加方便了。

因此,怎样把各种稀土金属单独地分离出来,就成了当前的迫切问题。

请高分子材料来帮忙

目前,科学家正在努力研究的分离稀土金属的方法有几十种,其中比较好的一种是利用离子交换树脂来分离稀土金属。

离子交换树脂是一种高分子材料。这种材料内部有很多非常小的空洞,能够有选择地让不同的稀土元素“住”进去。有些稀土元素很“喜欢”住进去,一到里面就被牢牢地吸住;另外一些稀土元素就不那么“喜欢”住这种“房子”,进去以后比较容易跑出来。我们先把这种高分子材料的粒子,堆在一个直立的管子里,再把含有稀土元素化合物的溶液,从管子顶部慢慢地倒下去,这样,各种稀土元素,就全部被高分子材料吸收进去了。然后,另外用一种酸性溶液,慢慢地从管子头上倒下去,这种溶液能够把稀土元素,从高分子材料中“赶”出来。于是,几种比较“不坚定”的稀土元素,就先被“赶”了出来,最“愿意”住在里面的稀土元素,到最后才被“赶”出来。用这种方法,可以把各种稀土元素,逐步分离开来。

(选自《稀奇的金属》,1979年)

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