百科：鎳——從“小妖精”到合金“好隊友”

鎳的化學符號為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，鎂鐵質巖石的含鎳量高于硅鋁質巖石，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)鎳的時間不長，使用鎳的時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)國時期就已經出現(xiàn)了含鎳成分的兵器及合金器皿。古代云南出產的一種“白銅”中也含有很高比例的鎳。當時，我國所制造的含鎳產品不僅暢銷國內，還遠銷國外。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《化學教育》雜志曾刊出一篇文章，標題是《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;但它們確實不是銀，是一種堅硬的金屬，中國人稱它為‘白銅’。他們謹慎地保守著如何制造它的秘密。當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世紀中葉，一位瑞典的科學家鑒定了一種新金屬，并為另一位科學家承認，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。”
　　上述內容正好可以作為鎳的發(fā)現(xiàn)史的結論。
　　“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。

　　當時，在德國有一種質重而表面呈紅棕色的礦石，其表面帶有綠顏色的斑點，被用來制作青色玻璃。早期的礦工曾經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”起了個綽號，叫“尼客爾銅”。“尼客爾”一詞意為“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，瑞典礦物學家克朗斯塔特的多次實驗證明，尼客爾銅之中并沒有銅的成分。一次，他將鐵塊投進該酸溶液中，依照他的設想，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不是銅？它會是一種新物質嗎？克朗斯塔特將綠色的物質置于木炭上燃燒，發(fā)現(xiàn)該物質變成了黑色的塊渣。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。這些性質顯示，這種物質與當時已經發(fā)現(xiàn)的所有金屬都不相同，是一種新的金屬。克朗斯塔特將這種金屬命名為“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，得到了很多學者的承認，但法國的薩季和蒙耐持不同意見，認為所謂的鎳不過是砷、鈷、鐵和銅的混合物。之后，另一位科學家經各種復雜的試驗得到了純度較高的鎳，并于1775年宣布研究成果，認為以上4種物質的混合物與鎳的性質迥異，從而證實了鎳作為新金屬存在的科學性。
　　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”。

　　最初，由于產量非常有限，鎳被當成是貴重金屬，常常用于打造首飾。20世紀以來，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，也是國民經濟發(fā)展中一種重要的戰(zhàn)略物資。鎳被廣泛地用于制造飛機、坦克、艦艇、雷達、導彈、宇宙飛船、原子反應堆等多個領域的國防工業(yè)中;在民用工業(yè)中的機器制造、陶瓷顏料、防腐鍍層、永磁材料、電子遙控等領域，鎳也是不可或缺的。鎳的最主要用途是生產不銹鋼，其次是生產合金。全世界不銹鋼生產所用的鎳占到鎳產量的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)會提交了一篇具有歷史意義的論文，對生產鎳鋼的可能性進行了全面評述。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，再加上極強的韌性，這種鋼最適合做裝甲板。萊利宣稱，這類鋼經過硬化和回火，強度幾乎可以達到每平方毫米1500牛頓這樣令人難以置信的程度。他進一步證實，富鎳鋼實際上是不可腐蝕的。
　　萊利的報告震驚了全球軍械界和工程界。從那以后，鎳鋼即開始被應用于制造車輛和飛機的部件以及大量高強度齒輪和軸系部件。
　　不可或缺的添加劑
　　在不銹鋼中加入鎳，可以提高其強度和韌性，并改善不銹鋼的機械加工性能;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、氮等共同作用的結果。

合金中添加鎳，可增強合金的抗腐蝕性。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)和超聲工藝等領域;鎳銅錳鐵合金強度高，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，被廣泛應用于電信、計算機、控制系統(tǒng)等領域;鎳鈦合金以其良好的生物相容性，廣泛應用于骨科、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改變鋼的性能，提高其力學性能和塑性;將微量的稀土元素鈰加入到204Cu不銹鋼中，會顯著提高該不銹鋼的耐腐蝕性。
　　稍有科學常識的人都會知道，鐵路鋼軌間會發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象。如果從倫敦的地標——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一條鋼帶。溫度每上升1℃，鋼帶就會伸長1.5米左右;如果這條金屬帶是鋁制的，溫度每上升1℃，金屬帶則會伸長3米;但使用36%的鎳鐵合金鋪設，金屬帶只會伸長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計上。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。當然，這種合金在低溫下也會產生很小的收縮。人們通常會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70年代發(fā)展起來的強磁合金，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;紅土鎳礦則屬于風化成因礦床。根據(jù)美國地質調查局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（多為很少結晶到不結晶的氧化鐵）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)，重點分布在甘肅、新疆、云南、吉林、湖北和四川等省區(qū)。
　　隨著國內硫化鎳礦開采量越來越多，鎳礦儲量不斷減少，同時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，我國從菲律賓進口紅土鎳礦。
　　國內鎳礦資源相對匱乏，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，我國的不銹鋼產量居全球首位，超過全球產量的一半。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口紅土鎳礦來發(fā)展不銹鋼工業(yè)。基于地理位置和成本的限制，我國的鎳生產企業(yè)主要依靠從印度尼西亞（年進口量超過總進口量的一半）和菲律賓進口紅土鎳礦。作為世界上鎳消費第一大國，我國的鎳產業(yè)對外依存度非常高。2014年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國鎳消費量在90萬～100萬噸，而進口量高達80%以上。正是由于國內鎳原料供應短缺，對外依賴性強而且單一，這種依賴已經成為制約鎳下游相關產業(yè)發(fā)展的瓶頸。
　　我國的鎳資源消費量巨大，如果能將含鎳廢料回收再利用，那么前景會相當可觀;但現(xiàn)實情況是，我國的廢鎳回收再利用率與發(fā)達國家相比還存在很大差距，鎳資源浪費嚴重。
　　向海底和南極要資源
　　加大國內外鎳礦勘查開發(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，海底錳結核礦石中，鎳的儲量也相當可觀。據(jù)估計，海底錳結核礦石的儲量約有3萬億噸以上，是多種金屬同時也是鎳的重要遠景資源。而且，錳結核與兩種常規(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，錳結核可能會成為一種人類取之不盡的自生礦物資源。但由于開采技術、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階段。我國對錳結核的勘探和開發(fā)雖然起步較晚，但在面臨資源日益枯竭的現(xiàn)實情況下，也需要積極研發(fā)海底錳結核的開采和冶煉技術，為大規(guī)模開采做好前期準備工作。
　　此外，南極地區(qū)的多種有色金屬儲量相當豐富，其中包括鎳（主要分布在南極半島及沿海島嶼地區(qū)）。雖然《關于環(huán)境保護的南極條約議定書》禁止各國在50年之內（即到2048年）開采南極的礦產資源，但有些國家在“科學考察與環(huán)境保護”的名義下，一直在南極從事礦產資源的考察與勘探活動。我國以往開展南極科考活動注重科學問題較多，今后在對南極礦產資源的調查和開發(fā)利用研究方面，也應該有所加強。就目前的南極資源來說，除了勘探和開發(fā)的技術難度外，還存在環(huán)境污染和領土主權等諸多問題;一旦地球上其他地方的資源耗盡時，對南極資源的開發(fā)利用恐怕就會勢在必行。
　　【責任編輯】趙 菲