第十六讲 材料的制备与成型加工

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
目的
碳石(CaCO3)
有害杂质入渣除去 有益元素进入铁水
②造渣
熔剂
锰矿石(脱O、脱S)
生铁Fe（C%>2.11%）
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)
Fig14.2 Metal deformation during (a) forging (b) rolling (c) extrusion and (d) drawing
化学成份
① 金属的塑性变形性 组织结构
锻造、辊轧、 ② 变形抗力 挤压、拉拔
③ 变形条件 变形温度 变形速度 应力状态
• 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
第十六讲
材料的制备与成型加工
（Fabrication and Processing of Materials）
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（Inorganic Nonmetallic）（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）]
耐火度 高温荷重变形温度 耐火材料的高温 使用性能 高温体积稳定性
抗热震稳定性
抗渣性 耐真空性
聚合物合成（Synthesis of polymer）
高分子材料制备 聚合物、粒、粉、块料的制备(Fabrication of polymer) 的三个层次
聚合物成型加工（Processing of polymer）
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。
玻璃制备过程：
硬度
切削加工性 （车、铣、刨、钻） 取决于多种因素
切削阻力
切屑的形状与形成
导热性 显微组织结构
• 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 （ relieve stresses ）；②提高延展性（ ducility ）、改变硬度 （ toughness ） ； ③ 产 生 特 殊 组 织 结 构 （ specific microstructure）
粗铜（Cu%=98.5~99.5%） 含少量金、银、铋、锡、铅、硒、 碲、溶解气体 火法精炼 或电解精炼 纯铜金属
目的：①去除杂质 ②提取贵金属
铝的制备：
① 湿碱法：铝矿石 + NaOH溶液
稀释、过滤、结晶 加Al(OH)3晶核
2NaAlO2水溶液
Al(OH)3
950~1000℃ 煅烧
Al2O3
1100℃ 烧结
铸造（Casting） 锻造（Forging） 辊（滚）轧（Rolling） 挤压（Extrusion） 拉拔（Drawing） 焊接（Welding） 粉末冶金（Powder Metallurgy） 热处理（Thermal tretment） 切削
熔融流动性（螺旋试样法测定）图5-19
铸造性
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）
1. 2. 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
3. 深加工：切裁、热处理、钢化、夹层化、中空化、 镀膜等
浮法（平板玻璃） 吹制法（空心制品）
玻璃成型加工方法
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）
• 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。
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5-39
② 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 540
聚合物成型加工特性
1. 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
钢：C%<2.11%，含少量Si、Mn、S、P
炼钢反应原理：
2Fe + O2 —→ 2FeO
Si + 2FeO —→ SiO2 + 2Fe
杂质氧化
Mn + FeO —→ MnO +Fe C + FeO —→ Fe + CO↑
2P + 5FeO —→ P2O5 +5Fe
2FeO + Si —→ SiO2 + Fe
•
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
• 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
填料（Fillbers）
增塑剂（Plasticigers）
聚合物添加剂 （Polymer Additives）
稳定剂（Stabiligers）
色（母）料（Colorants） 阻燃剂（Flame Ketardants） 加工助剂（Additives for Processing）
聚合物粉、粒料的配制与混合
• 热处理条件：①热处理温；②保温时间；③冷却速度
新 日 铁 钢 铁 生 产 流 程
（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。
硅酸三钙
3CaO· SiO2(C3S)
44~62%
硅酸盐水泥 活性成份
硅酸二钙
铝酸三钙
2CaO· SiO2(C2S)
3CaO· Al2O3(C3A)
18~30%
5~12% 10~18%
铁铝酸四钙 4CaO· Al2O3· Fe2O3(C4AF)
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
各层次高分子制备过程示意图见图5-13
聚合物分子量增长方式：链锁聚合、逐步聚合、交联、接枝
① 原料精制：蒸馏、重结晶、碱洗等，以保证单体纯度 链锁：自由基、阳离子、阴离子、配位催化 聚合机理
② 聚合
聚合物 合成
逐步：缩聚、加聚 实施方法：本体、溶液悬浮、乳液、熔融、界面、固相
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
2. 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
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）
Al2O3的 制备
② 干碱法：铝矿石 + CaCO3 + Na2CO3
加水稀释
沉淀杂质 950~1000℃ 煅烧
烧结块
NaAlO2水溶液 Al2O3
Al3+ + 3e—→ Al
通入CO2
Al(OH)3
Al2O3自焙电解
900℃ 电解
阴极、铝纯度达99.7% 阳极
2AlO33- –6e—→ Al2O3+ 3/2 O2
④ 后处理：洗涤、干燥、造粒
塑料成型加工(Forming Technigues for plastics)
橡胶成型加工（Fabrication of Elastomers）
高分子材料成型加工 (Processing of polymer)
纤维和薄膜制造(Fabrication of Fibers and Films) 涂装工艺（Coating Technigues）
脱氧(还原)
FeO + Mn —→ MnO + Fe
3FeO + Al —→ Al2O3 + 3Fe
氧化后钢液中存在
较多FeO，必须除去
造渣除渣：与炼铁类似
铜 的 制 备 ： 火 法 炼 铜 法
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 + 3/2 O2 —→ Cu2O + SO2 Cu2O +FeS —→ Cu2S +FeO 2 Cu2O + Cu2S —→ 6Cu + SO2
热塑性聚合物熔体（Polymer Viocous Liquid）成型方法 a. b. c. 挤出成型（Extrusion Molding）图5-41，42 注射成型（Injection Molding）图5-43，44 模压与传递模塑（Compression and Transfer Molding） 图5-45 压延成型（）图5-46 热成型（Heat Molding）图5-47 中空吹塑成型（Blow Molding）图5-48 浇铸成型（Casting） 熔融纺丝（Melt Spinning）图5-49
d. e. f. g. h.
热固性 (thermoseffing plastics) 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.
c.
固化反应需一定温度、时间和压力
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
金属材料成型加工 (Processing of Metals)
570C Fe3O4 CO 3Fe 4CO2
570C Fe2O3 CO 2Fe3O4 CO2
570C Fe3O源自文库 CO 3FeO CO2
570C FeO CO Fe CO2
CO间接还原
② 造渣反应：酸性氧化物与碱性氧化物的中和反应， 十分复杂。
自焙阳极电解槽见图5-6
无机非金属材料的制备
陶瓷（Ceramics）
无机非金属材料
(Inorganic Nonmetallic Materials)
玻璃（Glass）
水泥（Cement） 耐火材料(Firebrick)
基本化学成份属硅酸 盐(Siticate)物质
天然原料：粘土类矿物、长硅类矿物、石英 类矿物 陶瓷原料 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
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）
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）