有色金属与金属材料作业指导书

有色金属与金属材料作业指导书TOC\o"1-2"\h\u8261第1章有色金属概述 3235171.1有色金属的定义与分类 3106381.1.1重金属 3227161.1.2轻金属 4300501.1.3贵金属 420631.1.4稀有金属 483461.1.5稀土金属 415261.2有色金属的应用与产业发展 499441.2.1应用领域 4305981.2.2产业发展 414574第2章铝及铝合金 5128152.1铝的性质与加工工艺 5183202.2铝合金的分类与功能 565472.3铝合金的应用领域 627754第3章铜及铜合金 6225173.1铜的性质与加工技术 6279223.1.1铜的物理性质 6232133.1.2铜的化学性质 6118933.1.3铜的加工技术 6130563.2铜合金的分类与功能 7257683.2.1铜合金的分类 753863.2.2铜合金的功能 7272053.3铜及铜合金的应用 7215403.3.1电力行业 7173443.3.2电子行业 7285243.3.3建筑行业 7139153.3.4交通工具 759963.3.5其他领域 822419第4章镍及镍合金 877424.1镍的性质与提取工艺 8249084.1.1镍的性质 834914.1.2镍的提取工艺 8143404.2镍合金的分类与功能 8150714.2.1镍合金的分类 8153034.2.2镍合金的功能 8118604.3镍及镍合金的应用领域 94594.3.1石油化工领域 995344.3.2航空航天领域 9173644.3.3电力领域 9261024.3.4医疗领域 9316984.3.5其他领域 99127第5章钛及钛合金 954665.1钛的性质与加工技术 9216005.1.1钛的性质 9112315.1.2钛的加工技术 10135325.2钛合金的分类与功能 10173805.2.1铝钛合金 10203555.2.2钒钛合金 1077965.2.3铁钛合金 10185365.2.4其他钛合金 104205.3钛及钛合金的应用 1032343第6章锌及锌合金 11261006.1锌的性质与冶炼工艺 11207846.1.1锌的性质 11142656.1.2锌的冶炼工艺 1182146.2锌合金的分类与功能 1153826.2.1锌合金的分类 11261876.2.2锌合金的功能 11296136.3锌及锌合金的应用 12214176.3.1锌的应用 12143986.3.2锌合金的应用 1226131第7章铅及铅合金 12200347.1铅的性质与提炼工艺 12295357.2铅合金的分类与功能 1248597.3铅及铅合金的应用 1320348第8章稀土金属及其应用 13121428.1稀土金属的性质与提取 13227578.1.1稀土金属的性质 1390998.1.2稀土金属的提取 13178298.2稀土合金的分类与功能 1350288.2.1稀土合金的分类 1375398.2.2稀土合金的功能 13129508.3稀土金属的应用领域 14291018.3.1材料科学领域 14139098.3.2催化剂领域 14108198.3.3冶金领域 14291138.3.4磁性材料领域 14140248.3.5其他领域 1417847第9章金属材料加工工艺 14115919.1铸造工艺 14280179.1.1概述 14277949.1.2铸造方法 149659.1.3铸造工艺参数 14179479.1.4铸造缺陷及防止措施 15220759.2锻造工艺 1550279.2.1概述 15308559.2.2锻造方法 15325699.2.3锻造工艺参数 15258499.2.4锻造缺陷及防止措施 15144359.3热处理工艺 15264769.3.1概述 15242169.3.2热处理方法 15307519.3.3热处理工艺参数 1527729.3.4热处理缺陷及防止措施 15244559.4表面处理技术 15314729.4.1概述 15236459.4.2常见表面处理方法 16236909.4.3表面处理工艺参数 16287589.4.4表面处理缺陷及防止措施 1613035第10章金属材料检测与质量控制 1610910.1金属材料常规检测方法 162728210.1.1宏观检测 161557310.1.2微观检测 161482610.1.3化学成分分析 161363310.2金属材料功能测试 161661610.2.1力学功能测试 162576010.2.2物理功能测试 16982810.2.3耐腐蚀功能测试 16601510.3金属材料质量控制与评价 161060210.3.1质量控制标准 162730710.3.2质量控制措施 17353610.3.3质量评价方法 171941110.4金属材料失效分析及预防措施 171814210.4.1失效分析方法 172974710.4.2失效原因及预防 17608610.4.3案例分析 17第1章有色金属概述1.1有色金属的定义与分类有色金属，简称非铁金属，是指在自然界中以金属元素存在的、除铁、锰、铬以外的所有金属元素。它们具有独特的物理、化学性质和广泛的应用领域。根据其性质和用途，有色金属可分为重金属、轻金属、贵金属、稀有金属和稀土金属五大类。1.1.1重金属重金属是指密度大于4.5g/cm³的有色金属，主要包括铜、铅、锌、镍等。这些金属具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，广泛应用于电力、电子、通信、化工等领域。1.1.2轻金属轻金属是指密度小于4.5g/cm³的有色金属，主要包括铝、镁、钛等。这类金属具有轻质、高强度、良好的导电导热功能等特点，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。1.1.3贵金属贵金属是指价格较高的有色金属，主要包括金、银、铂等。它们具有独特的物理化学性质，如良好的导电性、抗氧化性、催化性等，广泛应用于珠宝首饰、金融投资、催化剂等领域。1.1.4稀有金属稀有金属是指在自然界中含量较少、分布较广、提取难度较大的有色金属，如锂、铍、铷、铯、钨、钼、锗、镓等。它们具有特殊的物理化学性质，广泛应用于新能源、电子、光学、航空航天等领域。1.1.5稀土金属稀土金属是指17种特殊的稀有金属元素，包括镧系元素和钪、钇等。它们具有独特的磁、光、电等功能，广泛应用于材料科学、能源、环保、军事等领域。1.2有色金属的应用与产业发展1.2.1应用领域有色金属广泛应用于国民经济的各个领域，主要包括：（1）电气电子行业：用于制造电线电缆、变压器、电机、电子元器件等；（2）交通运输行业：用于制造汽车、飞机、船舶等交通工具的零部件；（3）建筑行业：用于制造门窗、幕墙、管道等建筑材料；（4）新能源行业：如风力发电、太阳能发电、新能源汽车等领域；（5）石油化工行业：用于制造催化剂、化工设备等；（6）航空航天领域：用于制造飞机、火箭等航空航天器的结构材料；（7）其他领域：如医疗器械、精密仪器等。1.2.2产业发展我国是有色金属资源大国，拥有丰富的有色金属矿产资源。我国有色金属产业规模不断扩大，产业结构不断优化，技术创新能力不断提高，已成为全球有色金属产业的重要参与者。有色金属产业的发展主要体现在以下几个方面：（1）资源保障能力增强：通过加强地质勘查、海外资源开发和循环利用，提高资源保障能力；（2）产业结构优化：淘汰落后产能，发展高端产品，提高产业附加值；（3）技术创新：加大研发投入，推动产业技术进步，提高产业竞争力；（4）环保和节能减排：加强环保监管，推动企业实施清洁生产，降低能耗和污染物排放。有色金属在我国经济发展中具有重要地位，其产业发展前景广阔。第2章铝及铝合金2.1铝的性质与加工工艺铝是一种轻质、导电、导热功能良好的有色金属，具有良好的耐腐蚀性和可塑性。在自然界中，铝主要以氧化物形式存在，其加工工艺主要包括以下几个步骤：（1）炼铝：通过电解法或热还原法将铝土矿中的氧化铝提炼成金属铝。（2）铸造：将熔融铝浇注到模具中，制成各种铸件。（3）塑性加工：通过挤压、轧制、拉伸等手段，将铝材加工成板材、棒材、管材等。（4）热处理：通过退火、固溶处理、时效等工艺，改善铝材的力学功能和耐腐蚀功能。（5）表面处理：对铝材进行阳极氧化、涂装、喷漆等处理，提高其外观和耐腐蚀性。2.2铝合金的分类与功能铝合金按照其主要合金元素可分为以下几类：（1）纯铝：含铝量在99.00%以上，具有良好的导电、导热功能和耐腐蚀性。（2）铝锰合金：具有良好的耐腐蚀性和可塑性，主要用于防锈铝板。（3）铝硅合金：具有良好的耐磨性和耐热性，用于制造汽车、船舶等零件。（4）铝镁合金：具有较高的强度和硬度，同时保持良好的耐腐蚀性，用于航空航天、汽车等领域。（5）铝铜合金：具有高强度、高硬度，但耐腐蚀性较差，适用于要求强度高的场合。2.3铝合金的应用领域铝合金因其轻质、高强度、耐腐蚀等优良功能，在以下领域得到广泛应用：（1）交通运输：铝合金用于制造汽车、船舶、飞机等交通工具的零件和车身。（2）建筑行业：铝合金门窗、幕墙等建筑材料具有美观、轻便、耐腐蚀等特点。（3）电子电器：铝合金广泛应用于电子、电器产品的散热器、外壳等部件。（4）包装行业：铝合金具有优良的防潮、抗氧化功能，用于饮料、食品等包装材料。（5）航空航天：铝合金在航空航天领域具有重要作用，用于制造飞机、卫星等零部件。（6）其他领域：铝合金还广泛应用于机械制造、能源、化工等行业。第3章铜及铜合金3.1铜的性质与加工技术3.1.1铜的物理性质铜（Cu）是一种具有良好导电性、导热性和可塑性的有色金属。其密度为8.96g/cm³，熔点为1083℃。铜在常温下呈红色，具有良好的耐腐蚀性和可加工性。3.1.2铜的化学性质铜的化学活性较弱，但在一定条件下，可与其他元素形成稳定的化合物。在潮湿空气中，铜表面易一层氧化膜，对内部金属起到一定的保护作用。3.1.3铜的加工技术铜的加工技术主要包括铸造、锻造、挤压、拉伸、冷加工等。其中，铸造是铜及铜合金生产的主要方法，通过熔炼、铸造、冷却等过程得到各种铜锭、铜棒等；锻造主要用于生产具有一定形状和尺寸的铜合金产品；挤压适用于生产铜管、型材等；拉伸主要用于生产细长的铜线、铜带等产品；冷加工主要包括冷轧、冷拔、冷挤压等，用于提高铜及铜合金的强度和硬度。3.2铜合金的分类与功能3.2.1铜合金的分类铜合金按照合金元素可分为黄铜、青铜、白铜等。黄铜以锌为主要合金元素，具有较高的强度和可塑性；青铜以锡为主要合金元素，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性；白铜以镍为主要合金元素，具有较好的耐腐蚀性和高强度。3.2.2铜合金的功能铜合金具有以下功能特点：（1）导电功能：铜合金的导电功能优于纯铜，尤其是黄铜、白铜等；（2）导热功能：铜合金的导热功能与纯铜相近，具有良好的散热性；（3）机械功能：铜合金的强度、硬度、耐磨性等机械功能优于纯铜，可根据需求选择不同类型的铜合金；（4）耐腐蚀功能：铜合金具有较好的耐腐蚀功能，尤其在潮湿、酸碱等环境中表现出良好的稳定性；（5）可加工功能：铜合金具有良好的可加工功能，可通过铸造、锻造、挤压、冷加工等工艺生产各种产品。3.3铜及铜合金的应用3.3.1电力行业铜及铜合金在电力行业具有广泛的应用，如变压器、电缆、接触线等，主要利用其良好的导电功能和导热功能。3.3.2电子行业铜及铜合金在电子行业中的应用包括连接器、散热器、线路板等，主要利用其优异的导电功能和可加工功能。3.3.3建筑行业铜及铜合金在建筑行业中的应用包括屋顶、排水系统、装饰材料等，主要利用其耐腐蚀性和美观性。3.3.4交通工具铜及铜合金在汽车、船舶等交通工具中的应用包括制动系统、散热器、线缆等，主要利用其良好的导电功能、导热功能和耐腐蚀功能。3.3.5其他领域铜及铜合金在其他领域也有广泛应用，如家电、医疗器械、化工设备等，主要利用其优异的物理、化学功能和可加工功能。第4章镍及镍合金4.1镍的性质与提取工艺4.1.1镍的性质镍是一种具有银白色光泽的过渡金属，具有良好的机械强度、耐腐蚀性和高温功能。镍的物理性质和化学性质使其在许多领域具有重要的应用价值。4.1.2镍的提取工艺镍的提取工艺主要包括以下几种方法：（1）硫化镍矿的火法冶炼：通过高温熔炼硫化镍矿，将镍硫化物转化为镍氧化物，然后通过还原反应提取镍。（2）硫酸化镍矿的湿法冶金：将硫酸与镍矿反应，可溶性的硫酸镍，然后通过溶剂萃取、电解等方法提取镍。（3）羰基镍法：以镍矿为原料，通过羰基化反应羰基镍，进而提取纯镍。4.2镍合金的分类与功能4.2.1镍合金的分类镍合金根据成分和功能特点可分为以下几类：（1）纯镍合金：以镍为主要成分，含有少量的铁、铜等元素。（2）镍铜合金：以镍和铜为主要成分，具有良好的耐腐蚀性和机械功能。（3）镍铬合金：以镍和铬为主要成分，具有优异的高温功能和抗氧化性。（4）镍钼合金：以镍和钼为主要成分，具有优异的耐腐蚀性和高温强度。4.2.2镍合金的功能镍合金具有以下功能特点：（1）耐腐蚀性：镍合金在多种介质中表现出良好的耐腐蚀性，特别是在氧化性、还原性及中性介质中。（2）高温功能：镍合金具有较高的熔点、较好的热稳定性和高温强度，适用于高温环境。（3）机械功能：镍合金具有良好的机械功能，如强度、韧性和塑性等。4.3镍及镍合金的应用领域4.3.1石油化工领域镍及镍合金在石油化工领域广泛应用于制造耐腐蚀设备，如反应器、换热器、塔器等。4.3.2航空航天领域镍及镍合金在航空航天领域用于制造发动机部件、涡轮盘、燃烧室等，因其具有良好的高温功能和耐腐蚀性。4.3.3电力领域镍及镍合金在电力领域主要用于制造蒸汽轮机叶片、护套等，以提高设备的高温功能。4.3.4医疗领域镍及镍合金在医疗领域应用于制造人工关节、牙科材料等，因其具有良好的生物相容性。4.3.5其他领域镍及镍合金还广泛应用于电子、能源、环保等领域，如电池材料、催化剂、废水处理等。第5章钛及钛合金5.1钛的性质与加工技术钛是一种重要的有色金属，具有密度小、比强度高、耐腐蚀性强、生物相容性好等特点。本节主要介绍钛的性质及加工技术。5.1.1钛的性质（1）密度小：钛的密度为4.51g/cm³，仅为钢的60%，因此，在航空航天、汽车等领域具有广泛的应用。（2）比强度高：钛的比强度（强度与密度的比值）远高于钢、铝等金属，具有较好的承载能力。（3）耐腐蚀性强：钛在许多介质中具有很好的稳定性，尤其在海水、氯气等腐蚀性环境中表现出优异的耐腐蚀性。（4）生物相容性好：钛与人体组织相容性良好，可用于制造人工关节、骨骼等医疗器械。5.1.2钛的加工技术（1）铸造：采用熔模铸造、砂型铸造等方法制备钛及钛合金铸件。（2）锻造：通过热锻、冷锻等方式加工钛及钛合金，提高材料的力学功能。（3）焊接：采用氩弧焊、激光焊等方法连接钛及钛合金。（4）热处理：通过调整热处理工艺，改善钛及钛合金的组织和功能。（5）表面处理：采用阳极氧化、喷涂等方法，提高钛及钛合金的耐腐蚀性和美观度。5.2钛合金的分类与功能钛合金是钛与其他金属元素（如铝、钒、铁等）组成的合金。根据合金元素和含量的不同，钛合金可分为以下几类：5.2.1铝钛合金铝钛合金具有较高的强度和良好的焊接功能，广泛应用于航空航天、汽车等领域。5.2.2钒钛合金钒钛合金具有高强度、高韧性、良好的耐蚀性，适用于航空航天、船舶等高端制造领域。5.2.3铁钛合金铁钛合金具有良好的磁功能和耐磨性，可用于制造电机、变压器等设备。5.2.4其他钛合金除上述三类钛合金外，还有许多其他类型的钛合金，如钼钛合金、铌钛合金等，具有不同的功能特点。5.3钛及钛合金的应用钛及钛合金因其优异的功能，在以下领域得到广泛应用：（1）航空航天：飞机、火箭、卫星等飞行器的结构材料、发动机部件等。（2）医疗器械：人工关节、骨骼、牙科植入物等。（3）汽车：汽车发动机、排气系统、悬挂系统等部件。（4）石油化工：耐腐蚀设备、管道等。（5）海洋工程：船舶、海水淡化设备等。（6）轻工业：眼镜、手表、运动器材等。（7）其他：电子设备、能源设备等。第6章锌及锌合金6.1锌的性质与冶炼工艺6.1.1锌的性质锌（Zn）是一种重要的有色金属，位于周期表第ⅡB族，原子序数为30。锌具有银白色光泽，质地柔软，具有良好的延展性和导热性。锌的密度为7.14g/cm³，熔点为419.5℃。在常温下，锌的化学性质较活泼，易与酸、碱、盐等发生反应。6.1.2锌的冶炼工艺锌的冶炼工艺主要包括火法冶炼和湿法冶炼两种。（1）火法冶炼：火法冶炼锌的主要原料为锌精矿，经过高温焙烧、烧结、还原等过程，得到锌金属。火法冶炼工艺主要包括竖炉焙烧、回转窑焙烧、直接还原等。（2）湿法冶炼：湿法冶炼锌主要以含锌废料为原料，通过浸出、电解等过程提取锌金属。湿法冶炼工艺主要包括硫酸浸出、氯化浸出、电解沉积等。6.2锌合金的分类与功能6.2.1锌合金的分类锌合金按成分可分为以下几类：（1）纯锌合金：以锌为基础，含锌量在99.99%以上。（2）二元锌合金：以锌为基础，加入一种其他元素，如铝、铜、镁等。（3）多元锌合金：以锌为基础，加入两种或两种以上的其他元素。6.2.2锌合金的功能锌合金具有以下功能特点：（1）良好的铸造功能：锌合金熔点低，流动性好，可铸造成各种复杂形状的零件。（2）优良的机械功能：锌合金具有较高的抗拉强度、延伸率和硬度。（3）良好的耐腐蚀功能：锌合金在大气、淡水、海水中具有良好的耐腐蚀性。（4）良好的可塑性：锌合金可通过冷加工、热加工等方式进行加工。6.3锌及锌合金的应用6.3.1锌的应用锌的主要应用领域包括：（1）镀锌：用于钢铁、铜、铝等金属的表面保护。（2）黄铜：用于制造阀门、管件、散热器等。（3）锌铝合金：用于制造汽车轮毂、船舶配件等。6.3.2锌合金的应用锌合金的主要应用领域包括：（1）压铸件：用于汽车、摩托车、电子产品等领域的复杂零件。（2）铸造件：用于制造阀门、泵体、工艺品等。（3）耐磨材料：用于制造耐磨、减震部件，如滑轮、衬套等。（4）防腐材料：用于海洋工程、化工设备等领域的耐腐蚀部件。第7章铅及铅合金7.1铅的性质与提炼工艺铅是一种化学元素，具有较低的熔点、良好的延展性和可塑性，同时具有良好的耐腐蚀性。铅的物理和化学性质使其在工业领域具有广泛的应用。提炼工艺：铅的提炼工艺主要包括以下几个步骤：（1）选矿：从铅锌矿中提取铅矿物，通过破碎、研磨、浮选等过程得到铅精矿。（2）烧结：将铅精矿进行烧结，得到烧结块。（3）熔炼：将烧结块加入炉内，在高温下熔炼，得到粗铅。（4）精炼：对粗铅进行精炼，去除杂质，得到纯铅。7.2铅合金的分类与功能铅合金是以铅为基础，添加其他金属元素形成的合金。根据添加的元素和含量不同，铅合金可分为以下几类：（1）铅锡合金：具有良好的流动性和可塑性，用于制造焊料、轴承等。（2）铅铜合金：具有高强度、高硬度，用于制造阀门、泵体等。（3）铅锑合金：具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，用于制造电池板、化工设备等。（4）铅铝合金：具有低密度、高强度，用于航空航天、汽车等领域。7.3铅及铅合金的应用铅及铅合金在工业、生活等领域具有广泛的应用：（1）电池：铅酸电池是铅的主要应用领域，用于汽车、通信、电力等行业的储能设备。（2）化工：铅及其合金具有良好的耐腐蚀性，用于制造化工设备、管道等。（3）建筑：铅及铅合金用于建筑领域的防水、隔音等。（4）汽车：铅合金用于汽车零部件的制造，如散热器、缸体等。（5）医疗：铅具有优良的辐射防护功能，用于制作防护用品，如防护服、防护屏等。（6）电子：铅锡合金等低熔点合金用于电子元件的焊接。（7）其他：铅合金还应用于轴承、阀门、泵体等领域。第8章稀土金属及其应用8.1稀土金属的性质与提取8.1.1稀土金属的性质稀土金属，又称稀土元素，是指化学周期表中镧系元素，包括铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥等元素。稀土金属具有独特的物理和化学性质，如高的电负性、良好的催化功能、强的磁功能等。8.1.2稀土金属的提取稀土金属的提取主要采用溶剂萃取、离子交换、电解等方法。其中，溶剂萃取法是工业生产中应用最广泛的方法，主要包括以下几个步骤：矿石的分解、稀土元素的富集、稀土元素的分离和提纯。8.2稀土合金的分类与功能8.2.1稀土合金的分类稀土合金可分为以下几类：轻稀土合金、中稀土合金、重稀土合金、混合稀土合金。根据合金元素的不同，稀土合金还可分为铁系、钴系、镍系等。8.2.2稀土合金的功能稀土合金具有许多优异的功能，如良好的磁性、耐腐蚀性、高强度、低熔点等。这些功能使得稀土合金在众多领域具有广泛的应用前景。8.3稀土金属的应用领域8.3.1材料科学领域稀土金属在材料科学领域具有重要作用，如稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料等。这些材料在电子、能源、环保等领域具有广泛的应用。8.3.2催化剂领域稀土金属在催化剂领域具有独特的优势，如稀土催化剂在石油化工、汽车尾气处理、有机合成等方面的应用。8.3.3冶金领域稀土金属在冶金领域也具有重要应用，如稀土处理钢、铝、镁等合金，可以提高合金的功能，改善其工艺功能。8.3.4磁性材料领域稀土金属在磁性材料领域具有举足轻重的地位，如稀土永磁材料在电机、传感器、医疗设备等方面的应用。8.3.5其他领域稀土金属还广泛应用于陶瓷、玻璃、农业、环保等其他领域，如稀土元素在农业中作为微量元素肥料，提高农作物产量和品质；在环保领域，稀土催化剂用于处理废气、废水等。稀土金属及其应用领域广泛，具有重要的研究价值和广泛的应用前景。第9章金属材料加工工艺9.1铸造工艺9.1.1概述铸造工艺是将金属熔化后，倒入预先准备好的模具中，在冷却凝固过程中形成具有一定形状、尺寸和功能的铸件的生产方法。9.1.2铸造方法常见的铸造方法包括：砂型铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造等。9.1.3铸造工艺参数铸造工艺参数主要包括：浇注温度、模具温度、浇注速度、冷却速度等。9.1.4铸造缺陷及防止措施常见的铸造缺陷有：气孔、砂眼、夹渣、裂纹等。通过合理设计工艺、选用优质模具材料和严格控制生产过程，可以有效减少或避免这些缺陷。9.2锻造工艺9.2.1概述锻造工艺是通过对金属材料施加压力，使其产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和功能的锻件的生产方法。9.2.2锻造方法常见的锻造方法包括：自由锻造、模锻、辗压锻造等。9.2.3锻造工艺参数锻造工艺参数主要包括：锻造温度、变形程度、锻造速度、润滑条件等。9.2.4锻造缺陷及防止措施锻造过程中可能出现的缺陷有：裂纹、折叠、夹层、氧化皮等。通过合理选择锻造工艺参数和严格控制生产过程，可以降低缺陷产生的概率。9.3热处理工艺9