金属材料及制备加工工艺

1、 第一章第一章 金属材料的制备冶金金属材料的制备冶金 第二章第二章 铸造铸造 第三章第三章 金属的压力加工金属的压力加工 第四章第四章 金属材料热处理金属材料热处理 第五章第五章 金属的焊接金属的焊接 第六章第六章 工程材料工程材料 第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述第二节第二节 钢铁冶炼钢铁冶炼第三节第三节 有色金属冶炼有色金属冶炼 因此，要获得各种金属及其合金材料必须首先通过因此，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各种方法将金属元素从矿物中出来，接着对粗炼金属出来，接着对粗炼金属产品进行产品进行和和，然后，然后，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。，才

2、能得到所需成分、组织和规格的金属材料。 绝大多数金属元素（除绝大多数金属元素（除AuAu、AgAg、PtPt外）都以外）都以氧化物、氧化物、碳化物等化合物的形式存在碳化物等化合物的形式存在地壳之中。地壳之中。 金属的冶金工艺可以分为金属的冶金工艺可以分为火法冶金、湿法冶金、电冶火法冶金、湿法冶金、电冶金以及真空冶金金以及真空冶金等。等。q 火法冶金火法冶金 ：火法冶金是指利用高温从矿石中提取金属或其化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。合物的方法。 ：选矿、焙选矿、焙烧球化或烧球化或烧结烧结金属化合物金属化合物的还原的还原除去杂质除去杂质提纯金属提纯金属 ：提取提取冶金冶金真

3、空真空冶金冶金喷射喷射冶金冶金氯化氯化冶金冶金q 湿法冶金湿法冶金 ：湿法冶金是指利用一些化学溶剂的化学作用，在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。进行提取和分离的冶金过程。 ：q 电冶金电冶金 ：利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精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。炼金属的冶金过程。 ： Fe在地壳中的含量为在地壳中的含量为5左右，在金

4、属中仅次于铝左右，在金属中仅次于铝， 除陨石外，纯铁在地壳中还未见到，铁容易与其它元素除陨石外，纯铁在地壳中还未见到，铁容易与其它元素化合，特别是与氧化合，因此化合，特别是与氧化合，因此铁矿石多以氧化物形式存铁矿石多以氧化物形式存在在。 铁矿石中除铁的氧化物外，还有其它元素的氧化物铁矿石中除铁的氧化物外，还有其它元素的氧化物(SiO2、MnO2 等等)，这些，这些统称为脉石统称为脉石。 炼铁的目的炼铁的目的就是使铁从铁的氧化物中还原，并使还原就是使铁从铁的氧化物中还原，并使还原出的铁与脉石分离。出的铁与脉石分离。 原料原料：脉石、熔剂（如脉石、熔剂（如CaCOCaCO3 3用于造渣）以及焦炭等

5、。用于造渣）以及焦炭等。q 生铁冶炼生铁冶炼 主要反应过程主要反应过程：CO2 C 2COFe2O3 Fe3O4 FeO Fe主要产品）主要产品）： 分为炼钢生铁和铸造生铁。分为炼钢生铁和铸造生铁。产品）产品）：含含SiO2、CaO和和Al2O3的铝硅酸盐，主的铝硅酸盐，主 要用于生产水泥。要用于生产水泥。产品）产品）：含含26左右的左右的CO，用作燃料。，用作燃料。 炼铁产品及副产品炼铁产品及副产品：q 钢铁冶炼钢铁冶炼 炼钢的目的炼钢的目的：除去生铁中多余的碳和大量杂质元素，除去生铁中多余的碳和大量杂质元素，使其化学成分达到钢的要求。使其化学成分达到钢的要求。 炼钢的基本过程炼钢的基本过程

6、： 2FeO22（FeO） SiMnMnP PC C(FeO(FeO）（SiOSiO2 2）（MnOMnO）（P P2 2O O5 5）（COCO）FeFe： 2P + 5FeO + 4CaO = 5Fe + 4CaOP2O5 FeS + CaO = FeO + CaS 由于由于P P、S S元素的存在严重影响钢的性能，所以必须脱除。元素的存在严重影响钢的性能，所以必须脱除。： ：消除钢中的氧化杂质，提高钢的质量。消除钢中的氧化杂质，提高钢的质量。 ：按照不同钢种对合金元素成分的要求，进行合金按照不同钢种对合金元素成分的要求，进行合金 化处理。化处理。 炼钢的常见工艺炼钢的常见工艺：碱性平炉炼

7、钢：碱性平炉炼钢：以液态生铁或废钢为原料；利用炉气和以液态生铁或废钢为原料；利用炉气和矿石供氧；以气体或液体燃料供热。矿石供氧；以气体或液体燃料供热。 电弧炉炼钢：电弧炉炼钢：利用石墨电极和金属炉料之间形成的电弧利用石墨电极和金属炉料之间形成的电弧高温高温(通常通常5000一一6000)加热和熔化金属，金属熔化后加热和熔化金属，金属熔化后加入铁矿石、熔剂等，并吹氧，以加速钢中的碳、硅、加入铁矿石、熔剂等，并吹氧，以加速钢中的碳、硅、锰、磷等元素的氧化。锰、磷等元素的氧化。当碳、磷含量合格时，当碳、磷含量合格时，扒去氧化性炉渣再扒去氧化性炉渣再加入石灰、萤石、电加入石灰、萤石、电石、硅铁等造渣剂

8、和石、硅铁等造渣剂和还原剂，形成高碱度还原剂，形成高碱度还原渣，脱去钢中的还原渣，脱去钢中的氧和硫。氧和硫。氧气顶吹转炉炼钢：氧气顶吹转炉炼钢： 熔池搅拌；放热升温；无需燃料。已成为现代冶炼熔池搅拌；放热升温；无需燃料。已成为现代冶炼碳钢和低合金钢的主要方法。碳钢和低合金钢的主要方法。 q 铜的冶炼铜的冶炼 铜在地壳中的含量只有铜在地壳中的含量只有0.010.01，在自然界中大多以硫，在自然界中大多以硫化物和氧化物的形式存在于各种伴生矿中。一般，硫化铜化物和氧化物的形式存在于各种伴生矿中。一般，硫化铜矿采用火法冶炼；氧化铜矿采用湿法冶炼。矿采用火法冶炼；氧化铜矿采用湿法冶炼。 铜精矿的火法冶炼

9、铜精矿的火法冶炼： 目前，湿法冶炼的发展出现新的契机，基于环保的要目前，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。求，湿法冶炼的地位正在显示出不可取代的作用。 铜的湿法冶炼铜的湿法冶炼：溶溶 解解 由于铝的化学性质活泼，不能通过各种化学处理直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。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格大约降低了20倍。倍。 电解法制备金属铝必须包括两个环节电解法制备金属铝必须包括

10、两个环节：一是从含铝：一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。得到纯铝。q 铝的冶炼铝的冶炼 铝的生产流程示意图铝的生产流程示意图纯冰晶石纯冰晶石铝铝 锭锭萤萤 石石铝铝 矿矿 石石生产氧化铝生产氧化铝纯氧化铝纯氧化铝电电 解解 制制 铝铝碳素材料碳素材料阳阳 极极 糊糊 或或其其 它它 产产 品品电极生产电极生产选选 矿矿再熔或精炼再熔或精炼电电 能能生产冰晶石生产冰晶石或或 氟氟 化化 物物铝冶炼的主要过程铝冶炼的主要过程：AlAl3 33e Al3e AlAlOAlO3 33- 3- - 6e Al- 6e Al2 2O O3 3矿石（矿石（Al2O3）NaAlO2Al2O3Na2OAl（OH）3Al2O3Al矿石（矿石（Al2O3）NaAlO2Al（OH）3NaOHNaOHNa2CO3煅烧煅烧 950