材料科学与工程导论 第3章 材料工艺概述(2)课件

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 fabrication

2、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出来，接着对粗炼金属产品进行精练提纯和合金化处理，然后浇注成锭，加工成形，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、电冶金以及粉末冶金等。3.2.1 金属材料的制备 火法冶金 定义：火法冶金是指利用高温从矿石中提取金属

3、或其化合物的方法。 工艺过程：矿石准备矿石冶炼精炼提纯选矿、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，加入炉渣被排除。3.2.1 金属材料的制备 湿法冶金 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

4、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：离 子浸 取固 液分 离金属或化合物提取溶 液富 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 矿溶 剂铜离子置换法溶 解电沉积氢还原铜 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 AlAlO33-

5、 - 6e Al2O3矿石（Al2O3）NaAlO2Al2O3Na2OAl（OH）3Al2O3Al矿石（Al2O3）NaAlO2Al（OH）3NaOHNaOHNa2CO3煅烧 9501000165 0.35Pa1100 CO2900 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

6、（合成）与成型注射（注塑）成型物料 预热、干燥 加料 塑化 注射充模 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，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

7、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

8、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

9、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，焊件不熔化，钎料加热到熔化状态扩散到接头中去。硬钎焊：软钎焊：钎料的熔点450以上。钎料的熔点450以下。3.3.3 焊接焊接方法压力焊摩擦焊超声波焊爆炸焊扩散焊高频焊钎焊及封粘软钎焊硬钎焊封接粘接熔焊电弧焊电渣焊等离子弧焊电子束焊激光焊手弧焊气体保护焊埋弧焊电阻焊3.3.3 焊接焊接生产的特点1 省工省料，构件轻便；2 可以化大为小，以小拼大；3 可以制造双金属结构，节省贵金属；4 存在问题：影响质量的因素较