金属材料及制备加工工艺

第一章金属材料的制备－冶金第二章铸造第三章金属的压力加工第四章金属材料热处理第五章金属的焊接第六章工程材料第一篇金属材料及制备加工工艺第一节冶金工艺概述第二节钢铁冶炼第三节有色金属冶炼第一章金属材料的制备－冶金因此，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。第一节冶金工艺概述绝大多数金属元素（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。金属的冶金工艺可以分为火法冶金、湿法冶金、电冶金以及真空冶金等。火法冶金定义：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。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工艺方法分类：火法冶金提取冶金真空冶金喷射冶金氯化冶金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电冶金定义：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。工艺分类：电热熔炼：直接用电加热生产金属的一种冶金方法。电热熔炼包括电弧熔炼、等离子熔炼和电磁熔炼等。水溶液电解：应用水溶液电解精炼金属的一种冶金方法。熔盐电解：直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质在熔池中进行电解。Fe在地壳中的含量为5％左右，在金属中仅次于铝，除陨石外，纯铁在地壳中还未见到，铁容易与其它元素化合，特别是与氧化合，因此铁矿石多以氧化物形式存在。铁矿石中除铁的氧化物外，还有其它元素的氧化物(SiO2、MnO2等)，这些统称为脉石。炼铁的目的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。第二节钢铁冶炼原料：脉石、熔剂（如CaCO3用于造渣）以及焦炭等。生铁冶炼主要反应过程：CO2＋C＝2COFe2O3－Fe3O4－FeO－Fe生铁（主要产品）：分为炼钢生铁和铸造生铁。炉渣（副产品）：含SiO2、CaO和Al2O3的铝硅酸盐，主要用于生产水泥。煤气（副产品）：含26％左右的CO，用作燃料。炼铁产品及副产品：钢铁冶炼炼钢的目的：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。炼钢的基本过程：铁元素的氧化：2〔Fe〕＋｛O2｝＝2（FeO）〔Si〕〔Mn〕〔P〕〔C〕｝＋(FeO）（SiO2）（MnO）（P2O5）（CO）｝＋〔Fe〕铁元素的再还原：2P+5FeO+4CaO=5Fe+4CaO·P2O5FeS+CaO=FeO+CaS由于P、S元素的存在严重影响钢的性能，所以必须脱除。造渣除P、S：脱氧：消除钢中的氧化杂质，提高钢的质量。合金化：按照不同钢种对合金元素成分的要求，进行合金化处理。炼钢的常见工艺：碱性平炉炼钢：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。电弧炉炼钢：利用石墨电极和金属炉料之间形成的电弧高温(通常5000℃一6000℃)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、锰、磷等元素的氧化。当碳、磷含量合格时，扒去氧化性炉渣．再加入石灰、萤石、电石、硅铁等造渣剂和还原剂，形成高碱度还原渣，脱去钢中的氧和硫。氧气顶吹转炉炼钢：熔池搅拌；放热升温；无需燃料。已成为现代冶炼碳钢和低合金钢的主要方法。第三节有色金属冶炼铜的冶炼铜在地壳中的含量只有0.01％，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：精铜矿熔炼粗铜冰铜火法精炼电解精炼纯铜目前，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。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20倍。电解法制备金属铝必须包括两个环节：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得到纯铝。铝的冶炼铝的生产流程示意图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：Al3＋＋3e→AlAlO33--6e→Al2O3矿石（Al2O3）NaAlO2Al2O3•Na2OAl（OH）3Al2O3Al矿石（Al2O3）NaAlO2Al（OH）3NaOHNaOHNa2CO3煅烧950~1000℃165℃0.35Pa1100℃CO2900℃