International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials

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马吉睿, 卢小鹏, Santosh Prasad Sah, 陈倩倩, 张优, 王福会

中文摘要(254) PDF(15) SpringerLink

摘要:
微弧氧化是一种提高轻质合金耐蚀耐磨性能的表面处理技术，在高温高压作用下，可在基体金属表面原位生成一层陶瓷氧化涂层。由于火花放电和大量气体析出，镁合金微弧氧化涂层通常具有较高的孔隙率，一定程度上降低了其致密性和耐蚀性能。为了提高其长期耐蚀性能，本文使用硝酸钡溶液对AM50镁合金微弧氧化涂层封孔处理，并在后处理溶液中加入了十二烷基硫酸钠和十二烷基苯磺酸钠两种缓蚀剂，研究了不同缓蚀剂的添加对涂层的微观形貌、相成分、耐蚀性等方面的影响。结果表明，缓蚀剂的加入有效提高了涂层表面BaO₂的沉积量，同时缓蚀剂可吸附进入涂层内部，大幅提高涂层的长周期耐蚀性能。其中，含有十二烷基硫酸钠的涂层耐蚀性最佳，在0.5 wt% NaCl溶液中浸泡768 h后，低频阻抗模值仍能达到926 kΩ⋅cm²。经过40天的盐雾试验后，未观察到任何明显的腐蚀区域。这些优异的性能与缓蚀剂的加入有关，缓蚀剂的吸附引起涂层表面电位变负，钡离子与负电荷区域的作用导致表面沉积量增加。此外，缓蚀剂可以有效地加载到涂层内部，并在浸泡过程中连续释放以保护涂层。

研究论文

陡倾结构矿山分段崩落法开采覆岩大规模破坏的数值模拟和理论研究

夏开宗, 司志伟, 陈从新, 李小双, 邹俊鹏, 袁家好

, doi: 10.1007/s12613-024-2838-3

中文摘要(144) PDF(9) SpringerLink

摘要:
陡倾结构金属矿山地下采动引起的地表移动范围往往远大于设计圈定的范围，严重威胁矿山安全生产、周边环境和人民生命财产安全。项目依托湖北程潮铁矿和金山店铁矿等陡倾结构金属矿山，建立陡倾结构金属矿山的地质结构概化模型，采用理论分析和数值模拟研究了分段崩落法采动效应下陡倾结构金属矿山覆岩变形破裂演化机制，并基于极限平衡理论，推导出了金属矿山围岩中的陡倾叠合悬臂梁在弯曲倾倒破坏或者剪切滑移破坏状态下侧面的法向力表达式。研究结果表明：1)陡倾结构金属矿山地表位移曲线表现出显著的阶梯状特征，岩层破坏表现为叠合特征；2)陡倾结构金属矿山往往在稍远离采空区的某个叠合岩层首先发生破坏，然后陡倾叠合岩层随着矿体的开挖不断地往上远离采空区和往下靠近采空区方向发生破坏，直到在深部形成一条贯通于采空区的大规模深部破裂面，破裂面往往与陡倾岩层层面法线方向夹角在12°–20°之间；3)陡倾结构金属矿山叠合岩层不断地向外发生破坏而使得岩层移动不断地向外传递的效应，使得陡倾结构金属矿山岩层移动范围过大，往往大于设计圈定的岩层移动范围；4)分段崩落法开采效应下陡倾结构金属矿山岩层破坏模式主要表现为弯曲倾倒破坏，靠近采空区的陡倾结构岩层则主要表现为剪切滑移破坏，其力学模型可以简化为陡倾叠合悬臂梁，通过不断地迭代计算，可以得到分段崩落法开采陡倾结构金属矿山岩层破坏的范围和稳定性判据。

研究论文

胶质芽孢杆菌浸出石煤钒矿中钒的影响因素与机理

董颖博, 昝金雨, 林海

, doi: 10.1007/s12613-024-2836-5

中文摘要(148) PDF(7) SpringerLink

摘要:
微生物浸矿技术具有工艺简单、绿色环保、适于处理低品位矿石等优势。本论文系统研究了胶质芽孢杆菌浸出石煤钒矿中钒的影响因素与浸钒机理。通过静态浸出试验，优化得到了胶质芽孢杆菌浸钒的适宜条件为：固液比10 g⋅L⁻¹、每100mL培养液1mL菌种接种量、反应温度30°C、蔗糖添加量20 g⋅L⁻¹、摇床转速180 r⋅min⁻¹。研究发现胶质芽孢杆菌对石煤中钒的浸出包括直接作用和代谢产物的间接作用，且间接作用贡献率更大，为73.8%，菌种代谢产物柠檬酸、草酸等通过酸解和络合作用实现了钒的浸出。此外发现，石煤能够促进胶质芽孢杆菌体内碳酸酐酶的催化活性，酶活性提高了1.335–1.905 U，而酶活性的提高进一步促进了代谢物有机酸的产生，总有机酸含量增加了39.31 mg⋅L⁻¹，使浸出体系pH值降低了2.51，营造的酸性体系更有利于促进石煤中钒的浸出。

捕收剂SLS和抑制剂SPP对铅氧化矿物与赤铁矿浮选分离的协同作用

唐鸿鹄, 刘丙建, 李梦闪, 张前程, 张雄星, 江锋

, doi: 10.1007/s12613-023-2815-2

中文摘要(104) PDF(9) SpringerLink

摘要:
作为国民经济的支柱产业，钢铁行业同时也不可避免地产生了大量包含铅资源和有害元素的烧结粉尘。浮选被视为是一种从烧结粉尘中回收铅资源的有效技术，但浮选过程中如何实现铅氧化物与氧化铁的高效分离仍然具有挑战性。本论文系统研究了十二烷基硫酸钠(SLS，C₁₂H₂₅SO₄Na)和焦磷酸钠(SPP，Na₄P₂O₇)在选择性浮选分离铅氧化矿物(PbOHCl和PbSO₄)与赤铁矿(Fe₂O₃)过程中的协同作用。首先通过单矿物浮选试验和人工混合矿浮选试验确定了最佳浮选条件，实现了铅氧化矿物的高效回收与赤铁矿的有效抑制。通过Zeta电位测量、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析、吸附量测定和X射线光电子能谱(XPS)分析，揭示了药剂在矿物表面的吸附行为。研究结果表明，捕收剂SLS在PbOHCl和PbSO₄表面上的吸附强度较大且不受抑制剂的影响，而抑制剂SPP可选择性吸附于Fe₂O₃表面，并抑制后续SLS的吸附。SLS和SPP在矿物表面的选择性吸附行为实现了铅氧化矿物和赤铁矿的高效浮选分离。

研究论文

退火处理对温轧Mg-Zn-Gd-Ca-Mn合金微观组织及力学性能的影响

宋宜帆, 李希海, 许金良, 张凯, 毛耀宗, 闫宏, 李辉平, 陈荣石

, doi: 10.1007/s12613-023-2812-5

中文摘要(184) PDF(19) SpringerLink

摘要:
针对AZ31等传统镁合金易形成基面织构、室温塑性差的问题，利用稀土和钙等溶质原子的独特作用，设计了一种多元微合金化高塑性Mg–1.8Zn–0.8Gd–0.1Ca–0.2Mn材料，研究了退火工艺对温轧板材晶粒尺寸、第二相、织构和室温力学性能的影响规律，以期通过退火调控合金组织和织构，为工业生产工艺提供指导。结果表明退火温度对组织和性能影响显著：轧制态合金内存在少量较大尺寸的块状相和沿着轧制方向的长串相，以及晶粒内部细小的球状和棒状颗粒相；随退火温度的增加，晶粒尺寸先减少后增加，第二相形貌、数量和尺寸发生变化，其中在350°C时发生完全再结晶，450°C晶内颗粒相消失，晶粒尺寸突增；300~350°C为完全再结晶阶段，呈现最优的强塑性综合力学性能，轧向和横向的屈服强度分别为182.1 MPa和176.9 MPa，抗拉强度为271.1 MPa和275.8 MPa，伸长率分别达到27.4%和32.3%。此外，该合金中仍然存在一些较大尺寸的相，影响其力学性能尤其是塑性，该材料还有提升空间。

研究论文

6061铝合金热轧复合板的力学性能和界面特性

骆宗安, 张新, 刘照松, 周宏宇, 王明坤, 谢广明

, doi: 10.1007/s12613-023-2801-8

中文摘要(221) PDF(10) SpringerLink

摘要:
为了解决传统铝合金厚板存在的严重宏观偏析、气孔和裂纹等缺陷，采用基于搅拌摩擦焊的热轧复合技术制备了 6061铝合金厚板，并进一步研究了不同真空条件下界面处的力学性能和微观组织。结果表明，热轧态和时效态连接界面处的极限抗拉强度和总伸长率随着真空度的增加而增加。真空度高于1 Pa后，由于氧化效果显著降低，连接界面实现了良好的冶金结合，相应热轧态和时效态拉伸试样均在基体处断裂。经微观组织分析发现，热轧态界面形成了非平衡晶界，大量Mg₂Si颗粒沿界面晶界线性析出。在随后的热处理过程中，Mg₂Si颗粒又重新溶解回基体中，残留在界面处的Al₂O₃膜最终演变成MgO。此外，局部界面晶界在热轧复合过程中经历了阶段性消除，即由大角度晶界逐渐演变为中间角度晶界、小角度晶界，最终界面两侧晶粒完全融合。这一过程是通过界面晶界上位错的解离、发射和湮灭实现的。

研究论文

添加Cr和Si元素对热成形钢力学性能和抗氧化性能的影响

朱蓉, 杨永刚, 张保忠, 张博睿, 李雷, 吴彦欣, 米振莉

, doi: 10.1007/s12613-023-2796-1

中文摘要(283) PDF(26) SpringerLink

摘要:
热成形钢因其超高强度、高尺寸精度和低回弹等优点，被广泛应用在车身结构件上。然而，热成形钢在热冲压成形的转移过程中会出现表面氧化的问题，虽然通过Al–Si涂层和Zn基镀层可以减少氧化，但是存在降低弯曲断裂应变、高成本和液态金属脆化开裂等问题。本文在传统22MnB5钢的成分基础上添加Cr和Si元素，保证力学性能满足要求的前提下，实现热成形钢抗高温氧化性能的大幅提升。借助拉伸试验机研究Cr–Si合金热成形钢和22MnB5钢在热成形后的力学性能，并通过扫描电镜、透射电镜和X射线衍射仪对两种热成形钢的表面氧化层形貌、相组成和截面氧化层形貌进行探究。结果表明，Cr–Si合金热成形钢的组织由板条马氏体、M₂₃C₆碳化物和残余奥氏体组成。残余奥氏体和碳化物是热成形钢延伸率提高的原因。此外，在930°C氧化5 min后，Cr–Si合金热成形钢的氧化层厚度小于5 μm，远低于22MnB5的氧化层厚度（约45.50 μm）。Cr–Si合金热成形钢的氧化层由Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeCr₂O₄和Fe₂SiO₄的混合尖晶石氧化层、无定形SiO₂组成。添加Cr和Si元素可以显著减少氧化层的厚度，并防止FeO相的生成。内氧化层中FeCr₂O₄和Fe₂SiO₄尖晶石氧化层占比的提高和靠近基体的无定形SiO₂的生成有利于Cr–Si合金热成形钢抗氧化性能的提升。

研究论文

孔雀石梯级活化浮选机制及增强表面活性机理研究

丰奇成, 鲁万铭, 王涵, 张谦

, doi: 10.1007/s12613-023-2793-4

中文摘要(180) PDF(18) SpringerLink

摘要:
孔雀石是一种常见的氧化铜矿物，在生产中通常使用硫化-黄药浮选法进行富集。目前，通过直接硫化的方法往往较难获得合格的铜精矿产品。因此，本项研究开发一种新的硫化浮选工艺，以提高孔雀石的浮选回收率。在本研究中，使用铜离子用作为活化剂，并与样品表面相互作用，增加矿物表面的反应位点，从而增强矿物的硫化过程和反应活性。与单一铜离子活化相比，采用铜离子梯级活化法孔雀石的浮选效果显著提高。Zeta电位、X射线光电子能谱（XPS）、飞行时间二次离子质谱（ToF–SIMS）、扫描电子显微镜和能谱仪（SEM–EDS）以及原子力显微镜（AFM）分析结果表明，经过铜离子梯级活化后，由于活性Cu位点的增加，S物种在矿物表面的吸附显著增强。同时，活性较高的Cu–S物种的比例也有所增加，进一步改善了样品表面与后续捕收剂之间的反应活性。红外光谱（FT-IR）和接触角测试表明，铜离子梯级活化后，黄原酸根离子更加容易且稳定地吸附在矿物表面，从而提高了矿物表面的疏水性。因此，铜离子梯级活化后孔雀石表面的铜位点提高了矿物表面的反应性，进而提高了孔雀石硫化浮选的回收效果。

研究论文

浮选过程中的一种基于改进的 U-Net++ 语义分割的泡沫速度测量方法

陈一玮, 徐德刚, 万坤

, doi: 10.1007/s12613-023-2787-2

中文摘要(190) PDF(28) SpringerLink

摘要:
在浮选过程中，泡沫图像的特征参数和精矿品位和对应工况高度相关。在不同的工况下，气泡的颜色、大小等静态特征和速度等动态特征有着明显的区别。这些特征的提取通常依赖于泡沫边缘的图像分割结果，因此泡沫图像的分割是研究其视觉信息的基础。同时，由于缺乏科学可靠的带标签的训练数据，且必须手动构建数据集和标签，这给矿物浮选研究带来了困难。为解决这一问题，本文构建了钨精矿浮选图像数据集，并提出了基于cGAN 的数据增强网络和基于 U-Net++ 的泡沫图像分割网络。本文测试了该算法的性能，并与其他算法进行了比较。最后，还基于语义分割的结果，提出了基于相位相关的泡沫流速特征检测方法。

三倍金红石型MgTa₂O₆微波介质陶瓷的低温烧结及温度稳定性调控

许承智, 杨鸿宇, 杨鸿程, 邢林庄, 王媛, 李智敏, 李恩竹, 赵国瑞

, doi: 10.1007/s12613-023-2791-6

中文摘要(212) PDF(11) SpringerLink

摘要:
三倍金红石型MgTa₂O₆微波介质陶瓷常被用于制作介质滤波器与介质谐振器等电子元器件，是5G基站通信领域中的一种重要材料类型。然而，该材料的烧结温度较高且温度稳定型较差，限制了其在高频通信中的进一步应用。为了协同解决MgTa₂O₆微波介质陶瓷较高的烧结温度与较差的温度稳定性的问题，本文采用了一种含有Li₂O–MgO–ZnO–B₂O₃–SiO₂组分的玻璃，利用传统固相烧结工艺研究了玻璃掺杂对MgTa₂O₆陶瓷的低温烧结行为、晶体结构畸变与微波介电性能的影响。研究表明，掺杂2wt%的玻璃不会引入杂质相，体系仍为单一的三倍金红石型MgTa₂O₆物相，说明玻璃掺杂形成了MgTa₂O₆固溶体。当添加2wt%玻璃，在1150°C时可以获得致密性优异且微波介电性能良好的材料体系：ε_r = 26.1, Q×f = 34267 GHz, τ_f = –8.7 × 10^–6 /°C。研究表明，Li₂O–MgO–ZnO–B₂O₃–SiO₂玻璃不仅极大地改善了MgTa₂O₆陶瓷的低温烧结特性，而且在保持高Q×f值的同时仍有效提高了温度稳定性，这进一步发掘了该材料在高频通信中的应用潜力。

研究论文

含硫钢凝固过程中MnTe夹杂物的临界析出行为

徐翔宇, 张璐, 王梓菲, 田钱仁, 付建勋, 王学敏

, doi: 10.1007/s12613-023-2757-8

中文摘要(328) PDF(10) SpringerLink

摘要:
碲处理技术是硫化物改质的有效方法，碲在含硫钢中通常以在硫化物中固溶和MnTe析出的两种形式存在。然而，MnTe析出会降低材料的热塑性和耐蚀性。因此，碲处理技术在实际工业应用中，大多情况下并不期望MnTe析出。解析碲化锰临界析出行为是碲处理技术推广应用涉及的关键科学问题。本文通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、机器学习和第一性原理计算研究了MnTe夹杂物的临界析出行为。发现MnTe夹杂物优先在球状硫化物的容器口以及棒状硫化物晶界与钢基体界面交合处析出，形成MnS–MnTe复合夹杂物。MnS–MnTe复合夹杂物的相界面为半共格界面，界面处存在NaCl结构周期性变化的成分过渡带，以维持半共格界面。随温度降低，MnTe夹杂物在含硫钢中的临界析出行为可划分为三个阶段：第一阶段，Mn(S,Te)在凝固过程中析出；第二阶段，由于Te在MnS中的固溶度降低，NaCl结构的MnTe从Mn(S,Te)中析出，形成MnS–MnTe复合夹杂物；第三阶段，MnS–MnTe复合夹杂物中的MnTe由NaCl结构转变为六方NiAs结构。含硫钢中MnTe夹杂物的临界析出行为与MnS的析出温度有关。随着MnS析出温度升高，临界Te/S质量比降低。因此，含硫钢工业生产中碲的经济添加量，应按照MnS析出温度和S含量两个方面进行确定。

研究论文

石墨片表面熔盐合成TiC涂层的生长动力学

史晓宇, 郭冲霄, 倪佳苗, 姚松松, 王立强, 刘悦, 范同祥

, doi: 10.1007/s12613-023-2749-8

中文摘要(183) PDF(10) SpringerLink

摘要:
碳纤维，石墨等碳基材料具有密度小且在高温下仍具有高机械强度的特点，因而在极端环境和超高温部件中得到广泛应用。然而，碳基材料在极端服役条件下的抗氧化性能较差，通常需要进行表面防护。其中，难熔碳化物因具有极高熔点且与碳基材料化学适配度高等特点而广泛作为碳基材料的表面改性涂层。本文采用熔盐合成（MSS）法在石墨基体表面制备碳化钛（TiC）涂层，研究了熔盐合成过程中的反应动力学。扫描电镜表征（SEM）、X射线衍射（XRD）与理论分析结果表明，TiC涂层的生长动力学由碳（C）在TiC涂层中的扩散速度决定。与此同时，钛粉（Ti）通过液相传质参与反应，且其扩散距离及含量会影响TiC两侧的C浓度梯度进而影响反应速率。此外，通过分析TiC涂层厚度与热处理时间和温度的关系，发现TiC厚度与热处理时间呈抛物线关系，且在700–1300°C的范围内熔盐反应的活化能约为179283 J·mol⁻¹。在此基础上，本文结合扩散动力学模型提出了石墨表面熔盐生长碳化物的动力学方程。上述结果为理解MSS过程中碳化物涂层的生长机制及其可控制备提供了理论依据。

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