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金属学与金属工艺
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26卷 第10期 焊 接
学 报 v01．26 №．10
2005年 l0月 TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDING INSTITUTION October
2005 含 钪 铝 合 金 的钎 焊 工 艺 王少刚， 向定汉， 郑 勇 南京航空航天大学 材料科学与技术学院，南京 210016 摘 要：探讨了A1．Zn-Mg-Se．Zr铝合金采用炉中钎焊的可行性。结果表明，通过选用合 理的钎料和钎剂组合以及优化试验条件下的钎焊工艺参数，可获得焊缝表面成形 良好 的钎焊接头。对获得的接头进行力学性能测试，结果表明，文中试验条件下获得的钎焊 接头具有相对较高的抗剪强度；金相组织观察显示，钎缝金属组织致密，未发现有气孔、 夹渣和微裂纹等焊接缺陷；扫描电镜观察显示接头拉伸断口大部呈韧性断裂机制。钎 缝微区成分分析表明钎料与母材之间存在明显的合金元素互扩散，钎缝与母材之间结 合 良好；X射线衍射相结构分析表明，接头钎缝金属中含有 AlSc、Alz 等组成相，对 提高接头抗剪强度具有重要作用。 关键词：A1．Zn-Mg．Se-Zr合金；炉中钎焊；接头性能；微观分析 王少刚 中图分类号：TG454
文献标识码：A
文章编号：X ―04
0 青 专 其化学组成见表 1。采用线切割方法将试样加工成 尺寸为50am×30am×2am。拉伸试验测定母材 钪是提高铝合金性能最为有效的合金元素之 的抗拉强度为493MPa。
一 ， 含钪铝合金具有较高的强度和塑性韧性、良好的
耐热性、耐蚀性和辐照稳定性，在航空航天、核能和 表 1 AI-Zn-Mg-Sc-Zr合金的化学成分
质量分数，％l
舰船等国防领域以及现代轻型汽车和高速列车等民 Table1 ch郇licaI~om~ r'tionsofAI-733-№ -sc-ZraIlay
用工业具有广泛的应用前景 ¨0J。 目前，国内外许
多研究人员正在研制开发新一代的高强高韧含钪
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（化学元素）
钪是一种，元素符号是Sc，是21，是一种柔软、银白色的，熔点1541℃，沸点2831℃。易溶于水，可与热水作用，在空气中容易变暗，主要化合价为+3价。常跟、等混合存在，产量很少，在地壳中的含量约为0.0005%。钪常用来制、轻质耐高温。[1]
钪理化性质
钪物理性质
：1814 K（1541 °C）[1]
：3103 K（2830 °C）[1]
性状：一种柔软、银白色的金属[1]
摩尔体积：
汽化热：314.2 kJ/mol[1]
熔化热：14.1 kJ/mol[1]
蒸汽压：22.1 Pa（1812K）[1]
声速：无数据（293.15K）[1]
电负性：1.36（）[1]
比热容：568 J/(kg·K)[1]
热导率：15.8 W/(m·K)[1]
钪化学性质
元素名称：钪[1]
英文名：Scandium
元素符号：Sc[1]
原子序数：21[1]
元素系类：[1]
地壳含量：
原子半径：160（184）pm[1]
共价半径：144pm[1]
价电子排布：
电子在每能级的排布：2,8,9,2[1]
常见化合价：+3（弱碱性）[1]
：六方密排晶格[1]
633.1 kJ/mol
第二电离能
1235.0 kJ/mol
第三电离能
2388.6 kJ/mol
第四电离能
7090.6 kJ/mol
第五电离能
8843 kJ/mol
第六电离能
10679 kJ/mol
第七电离能
13310 kJ/mol
第八电离能
15250 kJ/mol
第九电离能
17370 kJ/mol
第十电离能
21726 kJ/mol
钪被空气氧化时略带浅黄色或粉红色，容易风化并在大多数稀酸中缓慢溶解。但是在强酸中表面易形成一个不渗透的钝化层，因此它不与（HNO3）和（HF）1:1混合物反应。[1]
安瓿中的钪
钪土Sc2O3，其比重3.86，碱性强于，弱于和，与不反应。
盐类无色，与和钠形成沉淀，各种盐类均难以完好结晶。钪盐无色，与氢氧化钾和形成胶体沉淀，盐极难结晶。
碳酸盐不溶于水，可能形成沉淀。碳酸钪不溶于水，并容易脱掉。
硫酸可能不形成。 钪的硫酸复盐不成矾。
无水氯化物ScCl3挥发性低于，比更容易。 ScCl3升华温度850℃，AlCl3则为100℃，在中水解。
钪发现简史
钪是排位最靠前的过渡金属，原子序数只有21，不过就发现而言，钪比他在上面的左邻右舍都要晚，即使在稀土里面，钪的发现也不是较早的，其发现较晚的原因很简单，含量低，钪在里的含量只有
，也就相当于每一吨地壳物质里面有5克，比其他轻元素相比要低不少。另外呢，稀土元素分离非常困难，这样一来，想从混生的矿藏中找到钪，其实并不容易。不过虽然一直没被发现，这个元素的存在却已经有人作出过预言。在1869年给出的第一版元素周期表中，就赫然在钙的后面留有一个45的空位。后来门捷列夫将钙之后的元素暂时命名为类硼（-Boron），并给出了这个元素的一些物理。
钪发现历程
十九世纪晚期，对稀土元素的研究成为一股热潮。在钪发现之前一年，的马利纳克（de Marignac）从玫瑰红色的铒土中，通过局部分解的方式，得到了一种不同于铒土的白色氧化物，他将这种氧化物命名为镱土，这就是稀土元素发现里面的第六名。瑞典乌普萨拉大学的（L.F.Nilson,）按照马利纳克的方法将铒土提纯，并精确测量铒和镱的原子量（因为他这个时候正在专注于精确测量稀土元素的物理与化学常数以期对作出验证）。当他经过13次局部分解之后，得到了3.5g纯净的镱土。但是这时候奇怪的事情发生了，马利纳克给出的镱的量是172.5，而尼尔森得到的则只有167.46。尼尔森敏锐地意识到这里面有可能是什么轻质的元素。于是他将得到的镱土又用相同的流程继续处理，最后当只剩下十分之一的时候，测得的原子量更是掉到了134.75；同时中还发现了一些新的吸收线。尼尔森用他的故乡给钪命名为Scandium。1879年，他正式公布了自己的研究结果，在他的论文中，还提到了钪盐和钪土的很多化学性质。不过在这篇论文中，他没有能给出钪的精确原子量，也还不确定钪在元素周期中的位置。
尼尔森的好友，也是同在乌普萨拉大学任教的克利夫（P.T.Cleve,）也在一起做这个工作。他从铒土出发，将铒土作为大量组分排除掉，再分出镱土和钪土之后，又从剩余物中找到了钬和铥这两个新的稀土元素。做为副产物，他提纯了钪土，并进一步了解了钪的物理和化学性质。这样一来，门捷列夫放出的沉睡了十年之后，终于被克利夫捞了起来。
钪就是门捷列夫当初所预言的&类硼&元素。他们的发现再次证明了元素周期律的正确性和门捷列夫的远见卓识。[2]
而钪金属在1937年才由电解熔化的氯化钪生产出来。
钪相关人物
（）预言了钪的存在。
尼尔森 （L.F.Nilson,）和克利夫（P.T.Cleve,）发现了钪。[1]
钪提取保存
在被发现后相当长一段时间里，因为难于制得，钪的用途一直没有表现出来。随着对稀土元素分离方法的日益改进，如今用于提纯钪的化合物，已经有了相当成熟的工艺流程。因为钪比起钇和镧系元素来，氢氧化物的碱性是最弱的，所以包含了钪的稀土元素混生矿，经过处理转入溶液后用氨处理时，将首先析出，故应用&分级沉淀&法可比较容易地把它从稀土元素中分离出来。另一种方法是利用的“分级分解”进行分离，由于最容易分解，可以达到分离出钪的目的。另外，在铀、钍、钨、锡等矿藏中综合回收伴生的钪也是钪的重要来源之一。[3]
获得了纯净的钪的化合物之后，将其转化为ScCl3，与KCl、LiCl共熔，用熔融的锌作为进行电解，使钪就会在锌极上析出，然后将锌蒸去可以得到金属钪。
钪是一种轻质的银白色金属，化学性质也非常活泼，可以和热水反应生成。所以图片中大家看到的金属钪被密封在瓶子里，用加以保护，否则钪会很快生成一个暗黄色或者灰色的，失去那种闪亮的。[3]
(:44.) )的一个特征是较多，共有37个同位素，其中只有1个同位素(47Sc)在大自然中是稳定存在的。[4]
　　　　　　36Sc
36.01492(54)#
　　　　37Sc
37.00305(32)#
37.99470(32)#
182.3(7) ms
596.3(17) ms
681.3(7) ms
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83.79(4) d
3.3492(6) d
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51.95668(21)
52.95961(32)#
53.96326(40)
260(30) ms
54.96824(79)
0.115(15) s
55.97287(75)#
56.97779(75)#
57.98371(86)#
58.98922(97)#
59.99571(97)#
备注:画上#号的数据代表没有经过实验的证明，只是理论推测而已，而用括号括起来的代表数据不确定性。[1]
钪应用领域
钪照明行业
比较有趣的是，钪的用途（作为主要工作物
钪的相关图片
质，而不是用于掺杂的）都集中在很光明的方向，称他为光明之子也不为过。[5]
钪的第一件法宝叫做钪钠灯，可以用来给千家万户带来光明。这是一种金属电光源：在灯泡中充入和碘化钪，同时加入钪和钠箔，在高压放电时，钪和钠离子分别发出他们的特征发射的光，钠的谱线为589.0和589.6nm两条著名的黄色光线，而钪的谱线为361.3~424.7nm的一系列近紫外和蓝色光发射，因为互为，产生的总体光色就是白色光。正是由于钪钠灯具有高、光色好、节电、使用寿命长和破雾能力强等特点，使其可广泛用于和广场、体育馆、马路照明， 被称为第三代光源。在这种灯还是作为新技术被逐渐推广的，而在一些发达国家，这种灯早在80年代初就被广泛使用了。[5]
钪的第二件法宝是太阳能光电池，可以将撒落地面的光明收集起来，变成推动人类社会的。在金属--半导体硅光电池和中，钪是最好的阻挡金属。[5]
他的第三件法宝叫做，这个法宝自己就能，不过这种光亮我们肉眼接收不到，是高能的光子流。我们平常从矿物中提炼出来的是45Sc，这是钪的唯一一种天然，每一个45Sc的中有21个和24个。倘若我们像把猴子放到太上老君的炼丹炉中炼上七七四十九天一样将钪放在核反应堆中，让他吸收，原子核中多一个中子的46Sc就诞生了。46Sc这种人工可以当作γ射线源或者，还可以用来对恶性肿瘤进行放射治疗。还有像钇镓钪石榴石激光器，玻璃红外光导纤维，上钪涂层的阴极射线管之类的用途简直不知凡几，看来钪生来就和光明有缘呢。[5]
钪合金工业
形式的钪，已经被大量应用于的掺杂。在铝中只要加入千分之几的钪就会生成Al3Sc新相，对铝合金起变质作用，使合金的结构和性能发生明显变化。加入0.2%~0.4%的Sc（这个比例也真的和家里炒菜放盐的比例差不多，只需要那么一点）可使合金的提高150~200℃，且强度、结构稳定性、焊接性能和抗腐蚀性能均明显提高，并可避免高温下长期工作时易产生的脆化现象。高强高韧铝合金、新型高强耐蚀可焊铝合金、新型铝合金、高强度抗中子辐照用铝合金等，在航天、航空、舰船、核反应堆以及轻型汽车和高速列车等方面具有非常诱人的开发前景。
钪也是铁的优良改化剂，少量钪可显著提高的强度和。另外，钪还可用作钨和铬合金的。当然，除了为他人做嫁衣裳之外，因为钪具有较高熔点，而其却和铝接近，也被应用在钪钛合金和钪这样的高熔点轻质合金上，但是因为价格昂贵，一般只有航天飞机和火箭等高端制造业才会使用。[5]
钪陶瓷材料
单质的钪一般应用于合金，而钪的氧化物也是物以类聚地在陶瓷材料上面起到了重要的作用。像可以用作材料的四方相陶瓷材料有一种很特别的性质，在这种的电导会随着温度和环境中氧的增高而增大。但是这种陶瓷材料的晶体结构本身不能稳定存在，不具有工业价值；必须要在其中掺杂一些能够将这种结构固定下来的物质才能够保持原有的性质。掺入6~10%的氧化钪就好像混凝土结构一样，让氧化锆能够稳定在四方形的上。
还有像高强度，耐高温的材料做增密剂和稳定剂。
氧化钪作为增密剂，可以在细小颗粒的边缘生成难熔相Sc2Si2O7，从而减小工程陶瓷的，与添加其它氧化物相比能更好改善的高温机械性能。
钪催化化学
在化学化工中，钪常被作为使用，Sc2O3可用于或脱水和脱氧、分解，由CO和H2制等等中。含Sc2O3的Pt-Al催化剂更是在石油中作为重油氢化提净，精炼流程的重要催化剂。而在诸如异丙苯中，Sc-Y沸石催化剂比铝的活性大1000倍；和一些传统的催化剂比起来，钪催化剂的发展前景将是很光明的。[5]
钪核能工业
在高温反应堆中UO2加入少量Sc2O3可避免因UO2向U3O8转化发生的晶格转变、体积增大和出现裂纹。
钪燃料电池
同样，在镍碱电池中加入2.5%~25%的钪，会增加使用寿命。
钪农业育种
在农业上可以对玉米 甜菜 豌豆 小麦 向日葵等种子做硫酸钪（浓度一般为10-3~10-8mol/L 不同的植物会有所不同）处理，已取得促进发芽的实际效果，8小时后根和芽的干燥重量和幼苗相比，分别增加37%和78%，但原因机理尚在研究中。[5]
从尼尔森注意到原子量数据的亏欠到今天，钪进入人们的视野不过一百年二十多年，却差不多坐了一百年的冷板凳，直到上个世纪后期材料科学的蓬勃发展才给他带来了生机。到今天，连同钪在内的稀土元素都已经成为了材料科学中炙手可热的，在成千上万的体系中发挥着千变万化的作用，每天都在给我们的生活带来多一点的便利，创造的经济价值更是难以计量。[5]
钪人体危害
钪单质被认为是无毒。钪化合物的动物试验已经完成，的已被确定为4毫克/公斤腹腔和755毫克/千克口服给药。从这些结果看来钪化合物应处理为中度毒性化合物。[1]
．维基百科[引用日期]
．互动百科[引用日期]
张大富．终极化学元素周期表：江西出版社，2010
徐金山．稀土元素概述：科学出版社，2013
本词条内容贡献者为
教授级高级工程师
中国石化上海石油化工研究院
科普中国百科科学词条编写与应用工作项目
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含钪铝合金变极性TIG焊接头组织与性能
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