材料导论 第三章 材料的合成与加工(Ⅱ)

《材料导论 第三章 材料的合成与加工(Ⅱ)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料导论 第三章 材料的合成与加工(Ⅱ)（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、3.2 材料的制备（合成）与成型工艺 3.2.1 金属材料的制备 金属材料是现代化工业的基础。 103种元素中，81种为金属元素。（16种碱土金属，3种 轻金属，4种铁族金属，12种易熔金属，11种难熔金属，9种 贵金属，16种稀土金属，15种铀金属）。 金属材料在工业上，分为两大类： 黑色金属：铁、铬、锰及其合金 有色金属：其它金属及其合金（铜、铝、锡、锌、镁等）。 粗制金属精制金属加工装配 探矿(prospecting) 地质学院 采矿(mining) 矿院 选矿(mineral separation) 矿院 冶炼(smelting) 冶金学院 材料制备与成型(materials fabr

2、ication and working )材料学院 机械加工与制造(machining and manufacturing)机电学院 金属材料制备流程金属材料制备流程 3.2.1 金属材料的制备 绝大多数金属元素（除Au、Ag、Pt外）都以氧化物、 碳化物等化合物的形式存在地壳之中。 因此，要获得各种金属及其合金材料必须首先通过 各种方法将金属元素从矿物中提取提取出来，接着对粗炼金属 产品进行精练提纯精练提纯和合金化处理合金化处理，然后浇注成锭浇注成锭，加工成 加工成 形形，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。 金属材料的制备冶金 金属的冶金工艺可以分为火法冶金、湿法冶金、电冶 金以及粉末

3、冶金等。 3.2.1 金属材料的制备 火法冶金 定义定义：火法冶金是指利用高温从矿石中提取金属或其化合 物的方法。 工艺过程工艺过程： 矿石准备矿石准备 矿石冶炼矿石冶炼 精炼提纯精炼提纯 选矿、焙 烧球化或 烧结 金属化合物 的还原 除去杂质 提纯金属 3.2.1 金属材料的制备 炼铁: 将铁矿石、燃料（焦炭）、溶剂（石灰石）加入高炉 ，经过高温燃烧及铁矿石与高炉煤气（CO）一系列 化学反应，产生铁水。 例： 炼钢: （钢的含碳量低于2.11%）炼钢过程基本是一个降 碳去杂质的氧化过程。高温下生铁中碳被氧化成 CO而排出。一部分铁氧化成FeO并与硅、锰反应 生成MnO、SiO2浮在钢液上，加

4、入炉渣被排除。 3.2.1 金属材料的制备 湿法冶金 定义定义：湿法冶金是指利用一些化学溶剂的化学作用，在水 溶液或非水溶液中进行包括氧化、还原、中和、水 解和络合等反应，对原料、中间产物或二次再生资 源中的金属进行提取和分离的冶金过程。 工艺过程工艺过程： 离离 子子 浸浸 取取 固固 液液 分分 离离 金属或化金属或化 合物提取合物提取 溶溶 液液 富富 集集 3.2.1 金属材料的制备 目前，湿法冶炼的发展出现新的契机，基于环保的要 求，湿法冶炼的地位正在显示出不可取代的作用。 铜的湿法冶炼： 铜铜 矿矿 溶溶 剂剂 铜铜离子离子 置换法置换法 溶 解 电电沉积沉积 氢还原氢还原 铜铜

5、例： 3.2.1 金属材料的制备 电冶金 定义定义：利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精炼金 属的冶金过程。 工艺分类工艺分类： 水溶液电解：水溶液电解：应用水溶液电解精炼金属的一种冶金方法。应用水溶液电解精炼金属的一种冶金方法。 熔盐电解：熔盐电解：直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解 质在熔池中进行电解。质在熔池中进行电解。 3.2.1 金属材料的制备 由于铝的化学性质活泼，不能通过各种化学处理直接 还原得到粗金属，所以长期以来铝的价格极高。 后来，人类发现电解法很容易制备金属铝，铝的价格 大约降低了20倍。 电解法制备金属铝必须包括两个环节：一

6、是从含铝的 矿石中制取纯净的氧化铝；二是采用熔盐电解氧化铝得到 纯铝。 铝的冶炼 例： 3.2.1 金属材料的制备 铝的生产流程示意图 3.2.1 金属材料的制备 纯冰晶石 铝 锭 萤 石 铝 矿 石 生产氧化铝 纯氧化铝 电 解 制 铝 碳素材料 阳 极 糊 或 其 它 产 品 电极生产 选 矿 再熔或精炼 电 能 生产冰晶石 或 氟 化 物 铝冶炼的主要过程 3.2.1 金属材料的制备 Al33e Al AlO33- - 6e Al2O3 矿石（Al2O3） NaAlO2 Al2O3Na2O Al（OH）3 Al2O3 Al 矿石（Al2O3） NaAlO2 Al（OH）3 NaOH Na

7、OH Na2CO3 煅烧 9501000 165 0.35Pa 1100 CO2 900 陶瓷、玻璃、耐火材料、砖瓦、水泥、石膏 、单晶硅等。 3.2.2 无机非金属材料的制备与成型 3.2 材料的制备（合成）与成型工艺 原料配制 坯料成型 高温烧结 陶瓷 原料制备 粘土、石英、长石，经拣选、 破碎、配料、混合、磨细，得到一 定要求的坯料（可塑呢料、粉料、 浆料）。 坯料成型 塑性料成型 浆料成型 粉料成型 固体成型 烧结 3.2.2 无机非金属材料的制备与成型 (1)原料制备 石英砂、硼砂、长石等为 主要原料，干燥、破碎、粉碎 、过筛、除铁 (2)熔制 硅酸盐形成、玻璃形成、 玻璃液澄清、玻

8、璃液均化、冷 却 (3)成型加工 吹制成型 压制成型 拉制成型 拉丝 玻璃 玻璃的主要成分是二氧化硅 ，与一般陶瓷不同，玻璃具有独 特的工艺性能。熔融的玻璃在固 化时，没有明显的凝固点，也没 有体积的突变，材料的粘度连续 变化，液态流动性很好，因而可 以进行吹制成形，也可以像金属 一样进行铸造、轧制、拉丝和挤 压。 3.2.2 无机非金属材料的制备与成型 高分子材料的合成 加聚反应：一种或多种单体通过加成反应，相互结合成 高分子化合物的反应。如：聚烯烃。 缩聚反应：一种或多种单体，含有二个或多个官能团， 进行相互缩合成为高分子化合物的反应。如：聚酯、聚 酰胺、环氧树脂等。 3.2.3 有机高分

9、子材料的制备（合成）与成型 天然高分子材料 合成高分子材料 如蚕丝、纤维素、淀粉、蛋白质、羊毛、橡胶等 塑料、橡胶和纤维 合成高分子是由简单低分子化合物（称为单体）通过 化学聚合反应而形成链状或网状结构的大分子化合物。也 称为高聚物。 3.2 材料的制备（合成）与成型工艺 压制成型 物料 计量 预热、预压 加料 闭模 排气 保压固化 脱模 制品后处理 高分子材料的成型 3.2.3 有机高分子材料的制备（合成）与成型 挤出成型 物料 预热、干燥 加料 调整 挤出 定型 冷却 收取 制品后处理 3.2.3 有机高分子材料的制备（合成）与成型 注射（注塑）成型 物料 预热、干燥 加料 塑化 注射充

10、模 保压 凝封 退柱塞 冷却固化 脱模 后处理 3.2.3 有机高分子材料的制备（合成）与成型 压延成型 二次成型 中空吹塑 拉伸薄膜 真空吸塑 3.2.3 有机高分子材料的制备（合成）与成型 材料类类型金属材料陶瓷材料高分子材料 原料 天然矿矿物 金属及合金 天然矿矿物、无机化合物天然原料、人工原料 生产产工艺艺 火法、湿法、电电法及 粉末冶金、单单晶生长长 成形烧结烧结 、熔融固化、单单 晶生长长 单单体制备备、均聚、共聚、共 混 产产品 金属及合金锭锭、单单晶 体 普通、新型陶瓷均聚物、高分子合金 理论论基础础 无机化学无机化学有机化学 物理化学 表3-1 各类材料生产工艺特性的比较 各

11、类材料生产工艺特性的比较 金属材料、无机非金属材料、高分子材料其成型方 法形成各自的系统特色。 表32列出金属材料、无机非金属材料、高分子材料 的主要成型方法，每种材料采用哪一种成型方法，应根据 其自身的成型特性、制品性质及经济上的合理性等因素来 取舍。 3.3 金属材料的加工工艺 材料加工就是把材料制备成具有一定形状、尺寸和性 能的制品的过程。主要指材料的成形加工、内部组织结构 的控制以及表面处理等。 表3-2 材料的主要成型方法 3.3 材料的加工工艺 铸造、锻压、焊接、热处理，机加工（机械制造） 金属材料加工工艺的种类： 铸造是将金属熔化成液体，浇注到 具有与零件形状相近似的铸型空腔内，

12、 待其冷却、凝固后获得铸件的工艺方法 。 简化的工艺流程如下。 3.3.1 铸造 3.3 材料的加工工艺 齿轮毛坯的铸件生产过程： 铸造方法主要包括砂型铸造和特种铸造。 1 熔模铸造 2 金属型铸造 3 压力铸造 4 低压铸造 离心铸造 实型铸造 3.3.1 铸造 铸造生产的特点 （2）可制造各种合金铸件 （1）适应范围广 各种材料均可，铸件品种繁多。 （4）成本低 原料广，价低，设备简单，投资少。 优点多，缺点少，因而应用广。 不受零件大小、厚薄和复杂程度的限制。可制成 形状复杂，特别是具有复杂内腔的毛坯，如各种箱体 、床身、机座等。 （3）铸件的尺寸精度高比一般锻件、焊接件尺寸精确。 铸造

13、工艺灵活，生产率高，既可以手工生产，也可以 机械化生产。 3.3.1 铸造 由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴有缺陷 ，其力学性能比同类材料的塑性成形低。 （5）缺点 工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制； 液态成形零件内部组织的均匀性、致密性一般较差； 液态成形零件易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹 渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品 质量不够稳定； 水轮机铸件（铜合金）船用螺旋浆（铸铜） 3.3.1 铸造 铸造生产的重要性 铸造生产在工业发达国家的国民经济中占有极其重要 的地位。 从铸件在机械产品所占的比重可看出其重要性： 在机床、内燃机、重型机器中，铸件约占70%90%； 在风机、压缩机

14、中，铸件约占60%80%； 在拖拉机中，铸件约占50%70%； 在农业机械中，铸件约占40%70%； 在汽车中，铸件约占20%30%； 3.3.1 铸造 3.3.2 锻压 锻压是利用外力使金属坯料产生 塑性变形，获得所需尺寸、形状及性 能的毛坯或零件的加工方法。 黑色金属和大多数有色金属都具有一定 的塑性，均可在冷态或热态下进行变形加工 。 压力加工的方法有锻造、冲压、轧制、 拉拔、挤压等。 3.3 材料的加工工艺 万吨水压机 (a) 自由锻 (b) 模锻 (c) 板料冲压 (d) 挤压 (e) 轧制 (f) 拉拔 常用的压力加工方法 3.3.2 锻压 压力加工的特点 1 机械性能好； 用于载

15、荷大，转速高，受力复杂件。 如机床主轴、重要齿轮、炮筒、枪管等。 2 难于生产形状复杂件； 3 设备昂贵，成本高。 板料成形 3.3.2 锻压 3.3.2 锻压 我国重要战略装备项目15000吨水压机在中国第 一重型机械集团一次热负荷试车成功。 3.3.2 锻压 3.3.3 焊接 焊接是使两个分离的固态物质借助于原子间结合力而连 接在一起的连接方法。 3.3 材料的加工工艺 焊接方法的分类 1 熔化焊： 利用热源，将焊件接头熔化，并加入填充金属 ，凝固后彼此焊合在一起。 2 压力焊： 加热或不加热，接头受压力作用，产生塑性变 形，使原子间产生结合力（组成新的晶格）， 将两工件连接起来。 熔化焊、压力焊和钎焊 3 钎焊： 接头只加热不加压，焊件不