第十六讲 材料的制备与成型加工演示文稿

第十六讲材料的制备与成型加工演示文稿目前一页\总数四十八页\编于七点第十六讲材料的制备与成型加工

（FabricationandProcessingofMaterials）主要内容：金属材料（Metals）制备与成型加工（铁钢、铜、铝）无机非金属材料（InorganicNonmetallic）（陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料）有机高分子材料（Polymer）[塑料（Plastics）、橡胶（Rubber）、纤维（Fiber）、涂料（Coating）]目前二页\总数四十八页\编于七点铁的制备：磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)、褐铁矿(FeCO3)、菱铁矿(Fe2O3·mH2O)①还原

焦碳（C）或CO产热>570℃作还原剂

生铁Fe（C%>2.11%）

②造渣

熔剂

碳石(CaCO3)

锰矿石(脱O、脱S)目的有害杂质入渣除去

有益元素进入铁水

目前三页\总数四十八页\编于七点铁制备反应原理：①

还原反应：FeO+C=Fe+CO(直接还原、高炉下部高温区进行)

CO间接还原造渣反应：酸性氧化物与碱性氧化物的中和反应， 十分复杂。

目前四页\总数四十八页\编于七点钢的制备炼钢的目的：①降低生铁中C含量 ②去除有害杂质③添加适量合金元素

炼钢方法：●平炉炼钢●电炉炼钢●纯氧顶吹转炉炼钢（LD法，代表发展方面）

目前五页\总数四十八页\编于七点炼钢过程：铁水、生铁块、废钢、铁合金C%>2.11%、Si、Mn、S、P杂质含量较高

①杂质氧化

氧化剂（O2、FeO）

②脱氧（还原）

脱氧剂(硅、锰、铝及铁合金

)③造渣

熔剂（石灰、萤石、白云石）

钢：C%<2.11%，含少量Si、Mn、S、P目前六页\总数四十八页\编于七点炼钢反应原理：

杂质氧化

2Fe+O2—→2FeOSi+2FeO—→SiO2+2FeMn+FeO—→MnO+FeC+FeO—→Fe+CO↑2P+5FeO—→P2O5+5Fe脱氧(还原)2FeO+Si—→SiO2+FeFeO+Mn—→MnO+Fe 氧化后钢液中存在3FeO+Al—→Al2O3+3Fe 较多FeO，必须除去

造渣除渣：与炼铁类似

目前七页\总数四十八页\编于七点硫化铜、氧化铜矿

熔炼

Fe等杂质随熔渣除去

冰铜(Cu2S)x·(FeS)y

吹炼

Cu2S+3/2O2—→Cu2O+SO2

Cu2O+FeS—→Cu2S+FeO2Cu2O+Cu2S—→6Cu+SO2

粗铜（Cu%=98.5~99.5%）含少量金、银、铋、锡、铅、硒、碲、溶解气体

铜的制备：火法炼铜法火法精炼或电解精炼

目的：①去除杂质②提取贵金属

纯铜金属

目前八页\总数四十八页\编于七点铝的制备：Al2O3的制备

①湿碱法：铝矿石+NaOH溶液2NaAlO2水溶液

稀释、过滤、结晶

加Al(OH)3晶核

Al(OH)3

950~1000℃

煅烧Al2O3②

干碱法：

铝矿石

+CaCO3+Na2CO3

1100℃

烧结

烧结块加水稀释

沉淀杂质

NaAlO2水溶液

通入CO2

Al(OH)3

950~1000℃

煅烧Al2O3Al2O3自焙电解

900℃

电解

Al3++3e—→Al 阴极、铝纯度达99.7%2AlO33-–6e—→Al2O3+3/2O2

阳极

自焙阳极电解槽见图5-6目前九页\总数四十八页\编于七点无机非金属材料的制备

无机非金属材料

(InorganicNonmetallicMaterials)陶瓷（Ceramics）

玻璃（Glass）

水泥（Cement）

耐火材料(Firebrick)基本化学成份属硅酸盐(Siticate)物质

目前十页\总数四十八页\编于七点陶瓷原料

天然原料：粘土类矿物、长硅类矿物、石英 类矿物化工原料：BaCO3、SiO2、TiO2、ZnO、BeO 、ZrO2、Si3O4、釉料等制备过程：配料——成型——烧结（致密化）陶瓷的一般生产工艺流程，见图5-1-8目前十一页\总数四十八页\编于七点玻璃的结构及成型特点：其独特的性能：是国民经济不可缺少的基础材料典型的非晶态（无定型、亚稳态）结构，具有降低内能向晶态转化趋势成形加工过程中必须严格控制玻璃生成的热力学和动力学条件，以保证无定型态成形工艺要求：①熔融态粘度低；②成型后冷却，定型速度快；③消除内应力。目前十二页\总数四十八页\编于七点玻璃制备过程：配（备）料：主、辅原料配制。熔制：硅酸盐的生成、玻璃液的形成、澄清、均化和玻璃液的冷却即熔融成型深加工：切裁、热处理、钢化、夹层化、中空化、镀膜等

目前十三页\总数四十八页\编于七点玻璃成型加工方法

浮法（平板玻璃）吹制法（空心制品）压制法（玻璃容器）压延法（压花玻璃）

浇铸法（光学玻璃）焊接法（玻璃仪器）

目前十四页\总数四十八页\编于七点水泥是水硬性无机胶凝材料的统称，属无机粉体材料。其水硬性来自于所含活性矿物成份的水化和水解反应。按活性矿物成份可分为：硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫酸盐水泥和氟铝酸盐水泥等，其中硅酸盐水泥用量最大。按用途和性能可分为：通用、专用、特种三大类。目前十五页\总数四十八页\编于七点硅酸盐水泥活性成份

硅酸三钙3CaO·SiO2(C3S) 44~62%硅酸二钙2CaO·SiO2(C2S) 18~30%铝酸三钙3CaO·Al2O3(C3A) 5~12%铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF) 10~18%由碱性CaO与酸性氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3在高温下反应而成CaO：由石灰石、泥灰石、白垩等提供SiO2、Al2O3、Fe2O3：由黄土、粘土、页岩、粉煤灰、煤酐 石等提供

目前十六页\总数四十八页\编于七点

硅酸盐水泥的生产工艺见图5-11，可概况为“两磨一烧”煅烧过程中，生料经历干燥脱水、碳酸盐分解、氧化物间高温与液相反应、快速冷却等复杂的物化过程而成熟料泥的凝结硬化（水化）也是一复杂的物化过程，石膏的加入可缓凝

目前十七页\总数四十八页\编于七点耐火材料是纸耐火温度不低于1580℃无机非金属材料按耐火温度称为：普通（1580~1770℃）、高级（1770~2000℃）和特种（2000℃以上）按其主成份：

SiO2为主成份的酸性耐火材料

Al2O3及Cr2O3为主成份的酸性耐火材料

MgO和CaO为主成份的碱性耐火材料目前十八页\总数四十八页\编于七点耐火材料的高温使用性能

耐火度高温荷重变形温度高温体积稳定性抗热震稳定性抗渣性耐真空性目前十九页\总数四十八页\编于七点高分子材料制备的三个层次聚合物合成（Synthesisofpolymer）聚合物、粒、粉、块料的制备(Fabricationofpolymer)聚合物成型加工（Processingofpolymer）各层次高分子制备过程示意图见图5-13目前二十页\总数四十八页\编于七点聚合物分子量增长方式：链锁聚合、逐步聚合、交联、接枝聚合物合成

①原料精制：蒸馏、重结晶、碱洗等，以保证单体纯度

③聚合物分离：真空挥发、凝聚、分离、离心分离等,脱残留单体、

溶剂、分离杂质，以获得较纯净聚合物④后处理：洗涤、干燥、造粒②聚合

聚合机理

实施方法：本体、溶液悬浮、乳液、熔融、界面、固相

链锁：自由基、阳离子、阴离子、配位催化逐步：缩聚、加聚目前二十一页\总数四十八页\编于七点高分子材料成型加工

(Processingofpolymer)

塑料成型加工(FormingTechniguesforplastics)橡胶成型加工（FabricationofElastomers）

纤维和薄膜制造(FabricationofFibersandFilms)涂装工艺（CoatingTechnigues）目前二十二页\总数四十八页\编于七点

聚合物添加剂

（PolymerAdditives）

填料（Fillbers）增塑剂（Plasticigers）稳定剂（Stabiligers）色（母）料（Colorants）阻燃剂（FlameKetardants）加工助剂（AdditivesforProcessing）

目前二十三页\总数四十八页\编于七点聚合物粉、粒料的配制与混合

①

物料的初混合：Tm以下、低剪切、简单混合，增加物料分散或无序程度，设备有低速捏合机和高速混合机两类，见图5-39②

物料熔融混合（混炼）：高剪切下熔融混合，进一步分散均匀，逐出挥发物，设备有双辊开炼机、密炼机、双螺杆挤出机等，见图5-40目前二十四页\总数四十八页\编于七点聚合物成型加工特性

混合—熔融—流动（变形）—固化定型—后处理五阶段伴有一次结构、聚集态结构、织态结构的变化或转变，见图5-33~5-38聚合物三种物理状态及其三态转变区是成型加工的基础，不同成型加工方法，应选择适宜的物理状态，见图5-32目前二十五页\总数四十八页\编于七点聚合物成型加工特性

3

熔融特性：聚合物固有的低导热性、低耐热性、低稳定性和高热敏性，使传统导热加热熔融方式不再适应。而主要依靠“粘性耗散发热（摩擦热）”方式熔融4

流动特性：a)通过若干链段运动使大分子重心位移，产 生流动b)链段的取向、长链分子的缠结决定其“非牛顿流体性质”c)大分子的粘弹行为和法向应力，决定了聚合物熔体的“离模膨胀”现象或“末端效应”，常引起尺寸变形（图5-31）

目前二十六页\总数四十八页\编于七点热塑性聚合物熔体（PolymerViocousLiquid）成型方法

a.

挤出成型（ExtrusionMolding）图5-41，42b.

注射成型（InjectionMolding）图5-43，44c.

模压与传递模塑（CompressionandTransferMolding） 图5-45d.

压延成型（）图5-46e.

热成型（HeatMolding）图5-47f.

中空吹塑成型（BlowMolding）图5-48g.

浇铸成型（Casting）h.熔融纺丝（MeltSpinning）图5-49目前二十七页\总数四十八页\编于七点热固性(thermoseffingplastics)成型方法可沿用热塑性聚合物类似的成型方法，但有其特点：a.

化学交联固化，而非冷却凝固b.

固化反应需一定温度、时间和压力c.

固化产物不熔、不溶、不可逆d.

固化行为决定其工艺性和工艺参数目前二十八页\总数四十八页\编于七点金属材料成型加工

(ProcessingofMetals)铸造（Casting）

锻造（Forging）辊（滚）轧（Rolling）挤压（Extrusion）拉拔（Drawing）

焊接（Welding）粉末冶金（PowderMetallurgy）热处理（Thermaltretment）切削目前二十九页\总数四十八页\编于七点铸造性

熔融流动性（螺旋试样法测定）图5-19铸型充填条件：铸型阻力、蓄热保温（热交换）能力收缩性：液态收缩、凝固收缩、固体收缩，易引起铸件缺陷（如缩孔、缩松、裂纹、变形等）目前三十页\总数四十八页\编于七点Fig14.2Metaldeformationduring(a)forging(b)rolling(c)extrusionand(d)drawing锻造、辊轧、挤压、拉拔

①金属的塑性变形性

②变形抗力

③变形条件

化学成份

组织结构变形温度

变形速度应力状态

目前三十一页\总数四十八页\编于七点可焊接是指金属在一定焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式下，实现优质焊接接头的难易程度同一种金属材料，采用不同焊接方法和焊接材料，其可焊性不同常用焊接方法：①手工电弧焊；②埋弧自动焊；③氩弧焊；④电渣焊；⑤CO2气体保护焊；⑥电阻焊（点焊、对焊；缝焊）；⑦钎焊。见图5-22~5-29

目前三十二页\总数四十八页\编于七点切削加工性（车、铣、刨、钻）

取决于多种因素

硬度切削阻力切屑的形状与形成

导热性

显微组织结构

目前三十三页\总数四十八页\编于七点金属材料经热处理，可改变其晶相组织结构，从而改变其性能退火（annealing）处理：①松弛内应力（relievestresses）；②提高延展性（ducility）、改变硬度（toughness）；③产生特殊组织结构（specificmicrostructure）热处理条件：①热处理温；②保温时间；③冷却速度

目前三十四页\总数四十八页\编于七点新日铁钢铁生产流程目前三十五页\总数四十八页\编于七点（一）天然原料与合成原料

在地壳中分布最广的元素：O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg八种元素占有98.56%——硅酸盐制品长期占据无机非金属材料主导地位的主要原因。

在地质学中，岩石按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。岩石的产出特点。矿石、矿床的概念。目前三十六页\总数四十八页\编于七点地壳中普通元素的蕴藏量目前三十七页\总数四十八页\编于七点（四）选矿与提纯

常用的选矿方法有：机械法、物理-化学法、纯化学法、电气法等等。

近二十年来，各种能场及新技术（如热、电、超导、微波、超声波、紫外线、激光）的应用，使得选矿的方法有了很大的改进。目前三十八页\总数四十八页\编于七点气流式超细粉碎机的工作原理目前三十九页\总数四十八页\编于七点

熔化的目的是在高温下使多种固相的配合料转变为单一、均匀的熔融液相，把气泡、条纹、结石等减少到容许的限度，并符合成型要求。一个从固相向液相转化的过程，也是一个非常复杂的过程。（三）熔融工艺

目前四十页\总数四十八页\编于七点

泥料或