钙的应用

背景^[1-3]

钙是一种金属元素，英文名称Calcium，化学符号Ca，原子序数20，相对原子质量40.087，属元素周期表中IIA族碱土金属，熔点842℃，沸点1484℃，密度1.55g/cm³，电离能6.11电子伏特。钙是一种银白色晶体，质稍软，化学性质活泼，在空气中表面上能形成一层氧化物（氧化钙）或氮化物薄膜（氮化钙），防止继续受到腐蚀。钙在地壳中含量为3%，仅次于氧、硅、铝、铁，居第五位，多以离子状态或化合物形式存在；在工业上的主要矿物来源如石灰岩，石膏等。钙可用作合金的油类脱水剂、冶金还原剂、脱氧剂等，主要应用于工业和医学领域。钙是人体必需的常量元素，也是人体中含量最多的无机元素，还是人体内200多种酶的激活剂，使人体各器官能够正常运作，钙在人体内含量不足或是过剩都会影响人体生长发育和健康。

钙

钙在工业领域具体应用如下：

脱氧剂：冶炼锡青铜、镍、钢时，钙用作脱氧剂。

脱水剂：钙是有机溶剂的脱水剂。

脱硫与脱碳剂：钙是铁和铁合金的脱硫和脱碳剂。

吸气剂：电子管制作中，钙用作吸气剂。

除氮剂：钙是纯制惰性气体的除氮剂，分解具有恶臭的的噻吩和硫醇。

助熔剂：氟化钙用作光学玻璃、光导纤维、搪瓷的原料，用作助熔剂。

氧化剂、漂白药剂、快干剂：过氧化钙是缓和的氧化剂，用作杀菌、防腐、漂白药剂；也用作封闭胶泥的快干剂。

还原剂：钙是高温下冶金的还原剂——从氧化物、卤化物中制取金属铬、钍、铀、稀土元素、锆，以及磁性材料钐钴合金、吸氢材料镧镍合金和钛镍合金等。

含钙0.04%的铅钙合金有较高硬度和耐蚀性能，用作电缆线外皮和蓄电池铅板；铝合金中加入钙，可增强塑性。

应用^[4][5]

用于热处理条件下少量钙或氧化钙对镁抗氧化能力的影响研究

金属镁（Mg）是最轻的金属结构材料之一,它具有比刚度和比强度高、电磁屏蔽性和阻尼减震性好、易于回收等优点,拥有广阔的应用前景。但是,相对于其它合金,镁合金的高温抗氧化性能较差,限制了其更广泛的应用。因此,提高镁合金在高温下的抗氧化能力,对于扩展镁合金的应用范围具有重大意义。

现有的提高金属镁的抗氧化方法中,通常有微弧氧化、电镀、化学镀等方式。然而,这些方法存在工艺流程复杂、污染环境或服役期短等缺点。目前,热处理已经被证明是一种能够有效提高合金抗氧化性能的方法,然而该工艺对镁合金性能影响的研究大多集中于机械性能方面的提升。

已有研究表明,热处理能极大地提高铜合金抗氧化能力,但对镁合金抗氧化能力影响的研究还很少。地球中Ca元素储量丰富,它因能够细化镁晶粒而使其具有良好的力学性能而成为镁合金中较常添加的一种合金元素。为此,本文以Mg-x Ca（x:1、3、5 wt.%）合金为研究对象,将其在氩氢混合保护气氛下进行400°C、8 h的热处理以研究其抗氧化性能。

运用电子扫描电镜、热重分析等方法,对经过热处理后的合金样品的氧化行为进行了探讨。与Ca元素相比,CaO具有成本低廉,便于运输和存储的优势。为此以Mg-x CaO（x:1、3、5 wt.%）合金为研究对象,研究热处理对Mg-CaO合金抗氧化能力的影响及其作用机理。实验结果表明,添加少量合金元素Ca后形成的Mg-Ca合金,在保护气氛下经热处理后,合金表面形成了致密的Mg O-CaO氧化膜。在1 atm氧气、400°C的氧化条件下,相对于纯Mg和未热处理Mg-Ca合金,热处理后的Mg-Ca合金几乎不发生氧化。

该抗氧化能力的提升归因于热处理过程中合金表面形成的致密Mg O-CaO保护膜。但由于Mg-Ca合金表面形成了网状化合物Mg2Ca,且在热处理过程以及氧化过程中产生一定裂缝或条形浅坑,从而一定程度上影响Mg-Ca合金抗氧化膜的品质。另一方面,经相同条件热处理后,Mg-CaO合金表面同样形成了致密的Mg O-CaO氧化膜。

与Mg-Ca合金类似,Mg-CaO合金内部同样几乎观察不到氧化的发生。进一步表征分析表明,经热处理后的Mg-CaO合金表面形成了致密的Mg O-CaO保护膜且光滑平整。与Mg-Ca合金情形不同的是,热处理前后Mg-CaO合金表面均未观察到微裂纹的产生以及网状化合物Mg2Ca的形成,这些均有利于合金品质的提升及抗氧化性能的改善。

参考文献

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[3]Oxidation of magnesium alloys at elevated temperatures in air:A review[J].Qiyang Tan,Andrej Atrens,Ning Mo,Ming-Xing Zhang.Corrosion Science.2016

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[5]霍东升.热处理条件下少量钙或氧化钙对镁抗氧化能力的影响[D].吉林大学,2021.