——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)