四川大学材料科学与工程基础双语Chapter-5.

《材料科学与工程基础》1第五章材料的制备与成型加工第5章（自学）1FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering材料科学与工程基础《材料科学与工程基础》2第五章材料的制备与成型加工本章主要对金属材料（Metals）、无机非金属材（InorganicNonmetallic）、高分子材料（Polymer）的制备原理及方法，成型加工性作主要阐述。第五章材料的制备与成型加工（FabricationandProcessingofMaterials）《材料科学与工程基础》3第五章材料的制备与成型加工5-1材料制备原理及方法5-2材料的成型加工性第五章内容目录《材料科学与工程基础》4第五章材料的制备与成型加工5-1材料制备原理及方法《材料科学与工程基础》5第五章材料的制备与成型加工金属材料的制备主要介绍铁的制备、钢的制备、非铁合金（铜的制备、铝的制备）的制备5-1-1金属材料的制备《材料科学与工程基础》6第五章材料的制备与成型加工磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)、褐铁矿(FeCO3)、菱铁矿(Fe2O3·mH2O)①还原焦碳（C）或CO还原剂生铁Fe（C%2.11%）②造渣熔剂石灰石(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•铁的制备《材料科学与工程基础》7第五章材料的制备与成型加工①还原反应25704343COFeCOOFeC243570322COOFeCOOFeC2570433COFeOCOOFeC2570COFeCOFeOCCO间接还原铁的制备原理FeO+C=Fe+CO直接还原高炉下部高温区进行《材料科学与工程基础》8第五章材料的制备与成型加工②造渣反应造渣就是加入一定量的熔剂与矿石中脉石和焦炭中灰分作用，生成一种多氧化物的熔体。造渣过程是一个复杂的化学反应过程，应根据矿石成分和冶炼要求，控制熔剂数量和熔炼过程，促使需要的元素进入铁水，让有害杂质进入渣中而除去。炉渣的成分是CaO、Al2O3、SiO2、和MgO。高炉炉渣可以用作水泥原料和建筑材料，但炉渣的形成过程对提高高炉冶炼技术经济指标有很重要意义。《材料科学与工程基础》9第五章材料的制备与成型加工高炉内型构造铁的制备过程在高炉中进行《材料科学与工程基础》10第五章材料的制备与成型加工高炉炼铁生产高炉炼铁生产主要由高炉开炉，炉内操作和炉前操作等生产过程组成。《材料科学与工程基础》11第五章材料的制备与成型加工•钢的制备钢的制备基本原理：所谓钢的制备实际上是钢的冶炼或炼钢。炼钢就是通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害的杂质，再根据对钢的成分和性能要求添加适量的合金元素，炼出具有较高强度和塑性韧性或具有持殊性能的钢。整个炼钢过程是氧化和还原过程，关键是清除钢水中杂质，其中最主要的因素是造渣和除渣。《材料科学与工程基础》12第五章材料的制备与成型加工炼钢过程：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《材料科学与工程基础》13第五章材料的制备与成型加工炼钢反应原理：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+Fe3FeO+Al—→Al2O3+3Fe造渣除渣：与炼铁类似氧化后钢液中存在较多FeO，必须除去《材料科学与工程基础》14第五章材料的制备与成型加工•钢的制备方法钢的制备方法有纯氧顶吹转炉炼钢，平炉炼钢和电炉炼钢，这里主要介绍纯氧顶吹转炉炼钢（LD法）。氧气转炉炼钢原料氧气转炉炼钢原料有金属料(铁水、生铁块、废钢、铁合金)；造渣材料(石灰、萤石和白云石)；氧化剂(氧气、铁矿石和氧化铁皮)；冷却剂(皮钢、铁矿石、氧化铁皮)；脱氧剂(硅、锰、馅及铁合金)。《材料科学与工程基础》15第五章材料的制备与成型加工氧气顶吹转炉炼钢纯氧顶吹转炉炼钢生产工艺：倾倒兑铁水，加废钢→直立加渣料→准备吹炼→吹炼→停吹→一倾倒炉渣→直立加二批渣料→继续吹炼→倾倒取样→脱氧出钢→浇注《材料科学与工程基础》16第五章材料的制备与成型加工《材料科学与工程基础》17第五章材料的制备与成型加工制备原理火法炼钢法在高温下使铜矿石或含铜原料(精矿、焙烧或烧结块)先熔炼成冰铜，再将其吹成粗铜。湿法冶铜法用溶剂浸泡铜矿石，使铜从矿石中浸出，再从浸出溶液中将金属铜析出。•非铁合金的制备①铜的制备湿法炼铜的溶液由金属溶质和只能溶解金属而不溶解脉石的溶剂组成。常用的溶剂有稀硫酸、硫酸铁溶液及碳酸铵溶液等。对于含酸性脉石的矿石，使用硫酸或硫酸铁溶液，而含有碱性脉石的矿石，宜用碳酸铵溶液。《材料科学与工程基础》18第五章材料的制备与成型加工硫化铜、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+SO2Cu2O+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•铜的制备方法《材料科学与工程基础》19第五章材料的制备与成型加工《材料科学与工程基础》20第五章材料的制备与成型加工《材料科学与工程基础》21第五章材料的制备与成型加工Al2O3的制备①湿碱法：铝矿石+NaOH溶液2NaAlO2水溶液Al(OH)3稀释、过滤、结晶加Al(OH)3晶核950~1000℃煅烧Al2O3②干碱法：铝矿石+CaCO3+Na2CO31100℃烧结烧结块加水稀释沉淀杂质NaAlO2水溶液通入CO2Al(OH)3950~1000℃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•铝的制备《材料科学与工程基础》22第五章材料的制备与成型加工《材料科学与工程基础》23第五章材料的制备与成型加工传统上无机非金属材料（inorganicnonmetallicmaterials）主要包括陶瓷(ceramics)、玻璃(glass)、水泥(cement)和耐火材料(firebrick)四大类.这里主要从这四种材料出发。介绍无机非金属材料的制备原理和一般的制备方法。5-1-2无机非金属材料的制备《材料科学与工程基础》24第五章材料的制备与成型加工•陶瓷的制备原理及方法陶瓷是无机非金属材料中的一个重要的种类。它是指一定组成配比的矿物原料粉末或化工原料粉末成型后，经特定的工艺使其致密化，赋予其一定的强度和密度及其他特殊性能的固体材料。通常陶瓷是一种多晶多相的聚集体。《材料科学与工程基础》25第五章材料的制备与成型加工《材料科学与工程基础》26第五章材料的制备与成型加工制备过程大体可以分为备料、成型、饶结三大部分。陶瓷制备的一般工艺过程如图5—8所示。《材料科学与工程基础》27第五章材料的制备与成型加工陶瓷原料天然原料化工原料粘土类矿物长硅类矿物石英类矿物BaCO3、SiO2、TiO2、ZnO、BeO、ZrO2、Si3O4、釉料等陶瓷原料及配料《材料科学与工程基础》28第五章材料的制备与成型加工陶瓷原料的预处理主要是进行淘洗，其目的是尽量除去原料中带有的杂质，以保证陶瓷的产品质量。例如，电子陶瓷的电性能对原料中的碱金属含量非常敏感，而碱金属盐基本上都是水溶性盐，可以通过淘洗将其溶解去除。陶瓷原料的破碎通常分为粗碎、中碎和细碎。有的原料还需进行燃烧处理。锻烧的作用主要有三个方面：其一是使原料的晶型发生转变，以避免物料在烧结过程产半晶型转变而使瓷体产生裂纹；其二是利用晶型转变产生的内应力和燃烧过程中产生的热应力使原料进—步细化；其三是在燃烧过程中除去物料中的有害杂质。原料的预处理与破碎《材料科学与工程基础》29第五章材料的制备与成型加工坯料是指原料经粉碎和适当的加工后，能满足成型工艺要求的均匀混合物。坯料分为注浆坯料、可塑坯料和压制坯料三种。坯料的制备包括配料、混合、细碎、陈化、练泥等过程。配料选择不同的原料配比，保证坯料组成符合配方要求。混合采用各种工艺方式使坯料混合均匀。细碎一般采用雷蒙磨(干粉)或球磨(料浆)使坯料的细度达到0.05～0.07mm以下。陈化将含水坯料在一定湿度和温度下放置一定时间(数大)，使得其中的腐殖质充分腐化。练泥将坯料在真空装置中反复揉制，使物料进一步均匀．同时将坯料中的气体排除。坯料的制备《材料科学与工程基础》30第五章材料的制备与成型加工成型方法压制成型可塑成型注浆成型将含水3％—7％(干压法)或8％—15％(半干压法)的坯料在较高的压力下加压形成坯体的方法利用坯料的可塑性将坯料制成一定的形状。成型成型是采用一定的方法将坯料制作成为具有一定形状和尺寸的坯体的过程。注浆成型是将具有流动性的坯料(料浆)注入石膏模中，利用石膏的吸水性使含水量降低而固化成型《材料科学与工程基础》31第五章材料的制备与成型加工干燥由于成型后的坯料中含有较多的水分，直接烧结将由于水的迅速气化使坯体内气压急剧上升而开裂，故烧成前需在一定温度下进行干燥，便坯体中的水基本除去。排蜡干压中加入有机塑化剂的坏体亦需在较低温度下便塑化剂挥发除去，又称为排胶。•干燥与排蜡《材料科学与工程基础》32第五章材料的制备与成型加工釉料是覆盖在陶瓷表面上的玻璃态薄层对陶瓷起表面保护、改善性能．并使陶瓷具有光泽和色泽的作用。根据釉料的烧成温度的不同，可以将釉料分为高温釉和低温釉。按照釉科的制备方法可以将釉料分为生釉和熔块釉。施釉《材料科学与工程基础》33第五章材料的制备与成型加工烧成是指坯体在高温下发生一系列的物理化学变化，坯体逐渐致密化形成预期的矿物组成和显微结构，并赋予制品预期性能的过程。烧成过程中需要严格控制的因素包括：升温速度、烧成温度、保温时间、冷却速度、气氛种类与气氛压力等。烧成《材料科学与工程基础》34第五章材料的制备与成型加工使用温度过快的升温速率将会使坯体受热不均而产生裂纹；并使水蒸气来不及排除坯体外，在坯体内形成很高的气压而使坯体开裂。烧成温度温度过低，液相量不足，瓷体不能完全实现致密化，也不能达到预期的强度，这种情况在生产中称为生烧。反之，过高的烧成温度将使坯体因液相过量而软化变形，这种情况在生产中称为过烧。保温时间在达到烧成温度后，需要一定的保温时间来使物质进行迁移，以保证瓷体的致密化。冷却速度降温速度越快，则温度梯度越大，热应力也就越大，引起瓷体破坏的可能性相应增加。因此，瓷体烧成后，一般要求采用较慢的降温速度．气氛种类与气氛压力气固反应进行的程度和最终的相组成对于陶瓷的性能有着决定性的影响。《材料科学与工程基础》35第五章材料的制备与成型加工主要包括表面打磨抛光、表面金属化、胶装附件等。陶瓷后加工《材料科学与工程基础》36第五章材料的制备与成型加工玻璃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。《材料科学与工程基础》37第五章材料的制备与成型加工玻璃制备过程：1.配（备）料：主、辅原料配制。2.熔制成型：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3.深加工：切裁、热处理、钢化、夹层化、中空化、镀膜等《材料科学与工程基础》38第五章材料的制备与成型加工《材料科学与工程基础》39第五章材料的制备与成型加工玻璃工艺发展•公元1世纪，古罗马人铁管吹玻璃•11-15世纪，威尼斯•16-18世纪，欧洲建厂•1828，法国罗宾，发明制瓶机•1905，欧文斯发明自动制瓶机，