鎳——從“小妖精”到合金“好隊(duì)友”

杜星星

鎳的化學(xué)符號為Ni，原子序數(shù)為28。鎳既是親鐵元素，也是親銅元素，在地球中的含量僅次于硅、氧、鐵、鎂，居第五位。地球上絕大多數(shù)鎳都分布在地核中，地核是天然的鎳鐵合金。在地殼中，鎂鐵質(zhì)巖石的含鎳量高于硅鋁質(zhì)巖石，例如橄欖巖的含鎳量為花崗巖的1000倍，輝長巖的含鎳量為花崗巖的80倍。

人類發(fā)現(xiàn)鎳的時(shí)間不長，使用鎳的時(shí)間可以一直追溯到公元前三百年左右。我國至遲在春秋戰(zhàn)國時(shí)期就已經(jīng)出現(xiàn)了含鎳成分的兵器及合金器皿。古代云南出產(chǎn)的一種“白銅”中也含有很高比例的鎳。當(dāng)時(shí)，我國所制造的含鎳產(chǎn)品不僅暢銷國內(nèi)，還遠(yuǎn)銷國外。直到現(xiàn)在，波斯語和阿拉伯語中還把白銅稱為“中國石”。

1943年4月出版的美國《化學(xué)教育》雜志曾刊出一篇文章，標(biāo)題是《神秘的白銅》。文中首次用音譯翻譯了“白銅”二字，并這樣描述白銅：“它們是用一種金屬制造的。這種金屬發(fā)光，具有純銀的柔軟光澤;但它們確實(shí)不是銀，是一種堅(jiān)硬的金屬，中國人稱它為‘白銅。他們謹(jǐn)慎地保守著如何制造它的秘密。當(dāng)這種奇異的金屬傳播開來以后，歐洲的金屬工人一代一代試圖仿制白銅，可他們不斷失敗，并且連失敗的原因也找不到。直到18世紀(jì)中葉，一位瑞典的科學(xué)家鑒定了一種新金屬，并為另一位科學(xué)家承認(rèn)，它就是制造白銅的神秘合金中的金屬。這就是礦工們在德國薩克森州發(fā)現(xiàn)并且咒罵它是假銅的同一種金屬?！?/p>

上述內(nèi)容正好可以作為鎳的發(fā)現(xiàn)史的結(jié)論。

“魔鬼的銅”

跟鈷一樣，鎳的名字“Nickel”帶有迷信色彩，解作“小妖精”。鎳礦看似銅礦，卻無法冶煉出銅來，從前被看作是魔鬼搞的惡作劇。

白銅熏爐

當(dāng)時(shí)，在德國有一種質(zhì)重而表面呈紅棕色的礦石，其表面帶有綠顏色的斑點(diǎn)，被用來制作青色玻璃。早期的礦工曾經(jīng)試圖用這種礦石冶煉出銅來，但它們只發(fā)散出有毒的煙氣，而不能還原成銅。礦工們把這歸因于魔鬼的影響，并給這種“被毒化了的礦石”起了個(gè)綽號，叫“尼客爾銅”?！澳峥蜖枴币辉~意為“騙人的小鬼”。所謂“尼客爾銅”，可以理解為“假銅”或者“魔鬼的銅”。

尼客爾銅溶解在酸中呈綠色，與一般銅鹽溶液的顏色無異，然而，瑞典礦物學(xué)家克朗斯塔特的多次實(shí)驗(yàn)證明，尼客爾銅之中并沒有銅的成分。一次，他將鐵塊投進(jìn)該酸溶液中，依照他的設(shè)想，鐵將很快把銅從溶液中置換出來。然而，令他意想不到的是，過了很久仍然沒有想象中的情況發(fā)生。難道礦石表面的綠色物質(zhì)不是銅？它會(huì)是一種新物質(zhì)嗎？克朗斯塔特將綠色的物質(zhì)置于木炭上燃燒，發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)變成了黑色的塊渣。再加入3份黑溶劑，即成一種粗金屬，其表面呈淡黃色，切面則呈現(xiàn)出瑩白的光彩;其形態(tài)由小薄片組成，質(zhì)硬而脆，微微受到磁石的吸引。將其溶于硝酸、王水和鹽酸中，可以得到綠色的溶液。這些性質(zhì)顯示，這種物質(zhì)與當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的所有金屬都不相同，是一種新的金屬?？死仕顾貙⑦@種金屬命名為“鎳”，并將他的研究成果發(fā)表出來。

克朗斯塔特的論文發(fā)表后，得到了很多學(xué)者的承認(rèn)，但法國的薩季和蒙耐持不同意見，認(rèn)為所謂的鎳不過是砷、鈷、鐵和銅的混合物。之后，另一位科學(xué)家經(jīng)各種復(fù)雜的試驗(yàn)得到了純度較高的鎳，并于1775年宣布研究成果，認(rèn)為以上4種物質(zhì)的混合物與鎳的性質(zhì)迥異，從而證實(shí)了鎳作為新金屬存在的科學(xué)性。

1865年，法國的加尼爾首次在新喀里多尼亞發(fā)現(xiàn)了硅酸鎳礦，并于1875年正式對該礦進(jìn)行開采，世界上才開始真正的冶煉鎳礦石。

從打首飾到造軍火

鎳被發(fā)現(xiàn)后，德國人首先把它摻入銅中，制成所謂的“日耳曼銀”，或稱“德國銀”，也就是我國古代的“白銅”。

鎳被應(yīng)用于宇宙飛船制造中

最初，由于產(chǎn)量非常有限，鎳被當(dāng)成是貴重金屬，常常用于打造首飾。20世紀(jì)以來，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了鎳的多種用途，鎳工業(yè)才得以迅速發(fā)展起來。

鎳這種銀白色金屬，具有良好的可塑性、耐腐蝕性、抗氧化性、耐高溫和磁性等特殊性能，是一種非常重要的有色金屬原料，也是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一種重要的戰(zhàn)略物資。鎳被廣泛地用于制造飛機(jī)、坦克、艦艇、雷達(dá)、導(dǎo)彈、宇宙飛船、原子反應(yīng)堆等多個(gè)領(lǐng)域的國防工業(yè)中;在民用工業(yè)中的機(jī)器制造、陶瓷顏料、防腐鍍層、永磁材料、電子遙控等領(lǐng)域，鎳也是不可或缺的。鎳的最主要用途是生產(chǎn)不銹鋼，其次是生產(chǎn)合金。全世界不銹鋼生產(chǎn)所用的鎳占到鎳產(chǎn)量的60%以上。隨著全球不銹鋼需求的穩(wěn)定增長，鎳的需求量仍在不斷提高。

1889年，詹姆斯·萊利向大不列顛鋼鐵協(xié)會(huì)提交了一篇具有歷史意義的論文，對生產(chǎn)鎳鋼的可能性進(jìn)行了全面評述。在這之前，先是法國，之后是意大利和英國，用鎳鋼生產(chǎn)出了裝甲板。測試表明，含鎳3%的鋼具有極佳的抗炮彈炸毀性能，再加上極強(qiáng)的韌性，這種鋼最適合做裝甲板。萊利宣稱，這類鋼經(jīng)過硬化和回火，強(qiáng)度幾乎可以達(dá)到每平方毫米1500牛頓這樣令人難以置信的程度。他進(jìn)一步證實(shí)，富鎳鋼實(shí)際上是不可腐蝕的。

萊利的報(bào)告震驚了全球軍械界和工程界。從那以后，鎳鋼即開始被應(yīng)用于制造車輛和飛機(jī)的部件以及大量高強(qiáng)度齒輪和軸系部件。

不可或缺的添加劑

在不銹鋼中加入鎳，可以提高其強(qiáng)度和韌性，并改善不銹鋼的機(jī)械加工性能;但不銹鋼性能的差異并非只由鎳元素含量決定，而是與其他幾種主要元素如鉻、碳、錳、氮等共同作用的結(jié)果。

南極大陸也許會(huì)成為人類最后的資源寶庫

合金中添加鎳，可增強(qiáng)合金的抗腐蝕性。不同種類的鎳合金具有不同的性能。如鎳鉻合金具有較高的耐熱性和大的電阻，可用來做熱電體電阻絲;鎳鈷合金是一種永磁材料，廣泛用于電子遙控、原子能工業(yè)和超聲工藝等領(lǐng)域;鎳銅錳鐵合金強(qiáng)度高，塑性好，耐腐蝕，是制造電器、海輪和醫(yī)療器械的重要材料;鎳鐵合金因其在弱磁場中具有良好的磁性能，被廣泛應(yīng)用于電信、計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域;鎳鈦合金以其良好的生物相容性，廣泛應(yīng)用于骨科、口腔科和其他臨床科室;鎳銅鋅合金用于制造家具等。

最新的研究成果表明，在不同種類的鋼中加入鎳或別的元素都會(huì)改變鋼的性能，提高其力學(xué)性能和塑性;將微量的稀土元素鈰加入到204Cu不銹鋼中，會(huì)顯著提高該不銹鋼的耐腐蝕性。

稍有科學(xué)常識的人都會(huì)知道，鐵路鋼軌間會(huì)發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象。如果從倫敦的地標(biāo)——海德公園大理石門到英國東南端的多佛爾這兩地相隔約120千米的地方之間鋪設(shè)一條鋼帶。溫度每上升1℃，鋼帶就會(huì)伸長1.5米左右;如果這條金屬帶是鋁制的，溫度每上升1℃，金屬帶則會(huì)伸長3米;但使用36%的鎳鐵合金鋪設(shè)，金屬帶只會(huì)伸長8厘米。這種鎳鐵合金最初叫“因瓦”合金，自1896年問世之日起，就用來做精確測量帶和用在精密記時(shí)計(jì)上。它的使用可以把由于溫度變化而引起的不精確性減小到最低限度。當(dāng)然，這種合金在低溫下也會(huì)產(chǎn)生很小的收縮。人們通常會(huì)用它來制造儲存液化氣的罐子。

有一種含鎳78.5%的鎳鐵合金特別易受低強(qiáng)度磁力的影響，用在穿梭于大西洋的電纜上，使傳輸速度提高了4倍。在20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的強(qiáng)磁合金，如阿爾科麥克斯鎳鐵合金或阿爾尼科鋁鎳鈷鐵銅合金中，鎳也起著重要作用。

硫化鎳礦與紅土鎳礦

地球上總的鎳元素含量雖然有很多，但目前可供人類開發(fā)利用的鎳資源只限于陸地上的硫化鎳礦和紅土鎳礦。

硫化鎳礦屬于巖漿成因礦床，由于普遍含銅，常被稱為含銅硫化鎳礦;紅土鎳礦則屬于風(fēng)化成因礦床。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局2015年1月公布的數(shù)據(jù)，全球鎳礦儲量約8100萬金屬噸，其中硫化鎳礦約占全球鎳礦儲量的40%，主要分布在俄羅斯、加拿大、澳大利亞、中國、南非以及北歐等地;紅土鎳礦約占全球鎳礦儲量的60%，主要分布在赤道地區(qū)國家，如新喀里多尼亞、印度尼西亞、菲律賓、古巴、巴西等國。

目前已知的含鎳礦物約有50余種，其中最常見的有十多種。硫化鎳礦中常見的含鎳礦物為鎳黃鐵礦和鎳磁黃鐵礦（其中鎳以類質(zhì)同象形式存在），紅土鎳礦中的鎳主要以鎳褐鐵礦（多為很少結(jié)晶到不結(jié)晶的氧化鐵）形式存在。

傳統(tǒng)上從硫化鎳礦中提取鎳金屬已有近百年的歷史;但經(jīng)過百年的開采，世界上硫化鎳礦資源正日漸枯竭。因此，近年來用紅土鎳礦提取鎳金屬正逐步成為世界上提取鎳的主流。

鎳消費(fèi)大國的煩惱

我國的鎳礦儲量位列全球第九，僅有300萬金屬噸，占世界總儲量的4%，且多為硫化鎳礦（約90%）。我國鎳礦資源的分布較為集中，主要分布在西北、西南和東北地區(qū)，重點(diǎn)分布在甘肅、新疆、云南、吉林、湖北和四川等省區(qū)。

隨著國內(nèi)硫化鎳礦開采量越來越多，鎳礦儲量不斷減少，同時(shí)還伴隨著鎳礦品位下降、開采深度增加、開采難度加大和成本升高等一系列問題。從2006年開始，我國從菲律賓進(jìn)口紅土鎳礦。

國內(nèi)鎳礦資源相對匱乏，尤其是紅土鎳礦稀缺，不僅儲量少，而且品位低，開采成本較高。這意味著，我國在紅土鎳礦方面沒有競爭力。隨著不銹鋼行業(yè)的不斷發(fā)展，我國的不銹鋼產(chǎn)量居全球首位，超過全球產(chǎn)量的一半。紅土鎳礦是鎳鐵的主要原料，鎳鐵又是不銹鋼的主要原料。因此，我國每年都需要大量進(jìn)口紅土鎳礦來發(fā)展不銹鋼工業(yè)?；诘乩砦恢煤统杀镜南拗?，我國的鎳生產(chǎn)企業(yè)主要依靠從印度尼西亞（年進(jìn)口量超過總進(jìn)口量的一半）和菲律賓進(jìn)口紅土鎳礦。作為世界上鎳消費(fèi)第一大國，我國的鎳產(chǎn)業(yè)對外依存度非常高。2014年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國鎳消費(fèi)量在90萬～100萬噸，而進(jìn)口量高達(dá)80%以上。正是由于國內(nèi)鎳原料供應(yīng)短缺，對外依賴性強(qiáng)而且單一，這種依賴已經(jīng)成為制約鎳下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

我國的鎳資源消費(fèi)量巨大，如果能將含鎳廢料回收再利用，那么前景會(huì)相當(dāng)可觀;但現(xiàn)實(shí)情況是，我國的廢鎳回收再利用率與發(fā)達(dá)國家相比還存在很大差距，鎳資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

向海底和南極要資源

加大國內(nèi)外鎳礦勘查開發(fā)力度，尤其是紅土鎳礦的勘查開發(fā)力度，對于我國乃至全球都適用。那么，除了已知的鎳礦資源外，我們還可以去哪里尋找鎳資源呢？

世界鎳礦資源分布除了硫化鎳礦和紅土鎳礦外，海底錳結(jié)核礦石中，鎳的儲量也相當(dāng)可觀。據(jù)估計(jì)，海底錳結(jié)核礦石的儲量約有3萬億噸以上，是多種金屬同時(shí)也是鎳的重要遠(yuǎn)景資源。而且，錳結(jié)核與兩種常規(guī)鎳礦相比，增長很快，每年以1000萬～1500萬噸的速度在不斷增加。因此，錳結(jié)核可能會(huì)成為一種人類取之不盡的自生礦物資源。但由于開采技術(shù)、開采成本及對海洋環(huán)境污染等因素的影響，目前開采利用這種鎳礦資源的國家還不多，只有美國、法國、日本、德國、澳大利亞等國處于試驗(yàn)階段。我國對錳結(jié)核的勘探和開發(fā)雖然起步較晚，但在面臨資源日益枯竭的現(xiàn)實(shí)情況下，也需要積極研發(fā)海底錳結(jié)核的開采和冶煉技術(shù)，為大規(guī)模開采做好前期準(zhǔn)備工作。

此外，南極地區(qū)的多種有色金屬儲量相當(dāng)豐富，其中包括鎳（主要分布在南極半島及沿海島嶼地區(qū)）。雖然《關(guān)于環(huán)境保護(hù)的南極條約議定書》禁止各國在50年之內(nèi)（即到2048年）開采南極的礦產(chǎn)資源，但有些國家在“科學(xué)考察與環(huán)境保護(hù)”的名義下，一直在南極從事礦產(chǎn)資源的考察與勘探活動(dòng)。我國以往開展南極科考活動(dòng)注重科學(xué)問題較多，今后在對南極礦產(chǎn)資源的調(diào)查和開發(fā)利用研究方面，也應(yīng)該有所加強(qiáng)。就目前的南極資源來說，除了勘探和開發(fā)的技術(shù)難度外，還存在環(huán)境污染和領(lǐng)土主權(quán)等諸多問題;一旦地球上其他地方的資源耗盡時(shí)，對南極資源的開發(fā)利用恐怕就會(huì)勢在必行。

【責(zé)任編輯】趙 菲