材料制备技术考试
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• 第一章金属材料的冶炼和提取 要获得各种金属及其合金材料,必须首先将金属元素从其矿物中提取出来,然后对提取的粗金属产
品进行精炼提纯及合金化处理,并浇注成锭,制备出所需成分、组织和规格的金属材料。
火法冶金:
利用高温加热从矿石中提取金属或其化合物的方法称火法冶金。将矿石或原材料加热熔化为
液态,经过与熔剂的冶金及物理化学反应再冷凝为固体的金属原材料制取过程。
火法冶金的基本过程:
利用火法冶金提取金属或其化合物时通常包括矿石准备、冶炼和精炼三个过程。
火法冶金的主要方法火法冶金的主要方法有提炼冶金、氯化冶金、喷射冶金和真空冶金等。
钢铁材料的制备
一、生铁的冶炼
生铁是用铁矿石在高炉中经过一系列的物理化学反应过程冶炼出来的。从矿石中提取铁过程
称为炼铁,进行炼铁的炉子叫高炉。从原料来说,除了铁矿石以外,还需要燃料和造渣用的
熔剂。
二、钢的冶炼
生铁含较多碳和硫、磷等有害杂质元素而强度低、塑性差。需再经冶炼成钢后才能进行成型加工用于工程结构和制造机器零件。炼钢的目的就是去除生铁中多余的碳和大量杂质元素,使其化学成分达到钢的标准。
1.炼钢的基本过程
a. 元素的氧化。向液体金属供氧,使多余的碳和杂质元素被氧化去除。
b. 造渣脱磷和脱硫。加入石灰石造渣,去除磷和硫这两种元素。
c. 脱氧及合金化。常加入硅铁、铝或镁等易氧化元素来完成。
三.铸铁的熔制
高炉冶炼得到的铸造生铁是工程用铸铁材料的原材料,还需要通过重新熔炼进行合金化及变质处理使其成分、组织和性能满足要求。 • • • • • • • • • • • • • • •
• 炉前处理的目的是改变或改善铁水凝固后的组织。除普通灰口铸铁铁水出炉后直接进行浇注外,绝
大多数铸铁材料的铁水要在炉前进行变质处理。主要的炉前处理方法和工艺有以下两种。
• 第三节.铝与铝合金的制备
• 铝矾土矿是炼铝的主要原料。从这些矿物中提取金属铝一般分为两个步骤:氧化铝的制备和氧化铝
的电解。
制备氧化铝的方法主要有湿碱法和干碱法两种。
铝合金的制备
• 铝合金是根据不同材料的成分和性能要求,在坩埚中将纯铝重熔并通过合金化处理后获得的。
根据成分和成形方法的不同可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。
• 变形铝合金是经过热态或冷态压力加工,制成板材、管材、棒材以及各种异型材使用。要求具有相
当高的塑性。
• 铸造铝合金是将液体金属铝直接浇注在铸型内制成各种形状复杂的零件。要求具有良好的铸造性,
即良好的流动性,小的收缩及高的抗热裂性等。
• 1.铝合金的熔炼特点
(1)熔化时间长。铝的熔化潜热大,比热大,黑度小。与铁、铜相比较,熔化时消耗热量多。因而熔
化速度慢,熔化时间长。
(2) 易氧化。在熔体表面形成的氧化铝薄膜虽然有保护作用,但氧化膜一旦破坏,氧气进
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• 入融体,便很难除去。 2.铝合金的熔制工艺 铝合金是以电解铝、中间合金及低熔点纯金属为原材料,在电阻炉或反射炉中进行重熔和合金化制备的。熔炼的关键是除气和除渣(熔体精炼),提高铝液的纯净度。此外,对于铝硅系合金,浇注前还要进行变质处理。 精炼处理:精炼的目的是除气除渣。精炼方法很多,主要应用的有吹气精炼和氯盐精炼这两种方法。 变质处理:对于铸造铝硅合金等,因成分接近共晶点,为细化有害的初生硅和共晶硅,需要在浇注前对铝液进行变质处理,如Na变质或Sr变质。 第四节镁与镁合金的制备 一.金属镁的冶金和提取 镁的生产方法分为两大类,即氯化镁熔盐电解法和热还原法。提取到的粗镁再经过溶剂精炼或升华精炼提纯。 二.镁合金的制备 工程上应用的大多是镁合金材料,需对镁进行重熔和合金化以制备镁合金铸件或锭坯。镁合金以铸造镁合金用量最大,且大多为以压铸方法生产。 镁合金的配料是根据合金成分的要求,以镁锭、中间合金和纯金属等通过计算进行的。应注意元素的烧损和加料顺序。 在熔炼镁合金时必须进行熔体保护。目前常用的方法有熔剂保护和气体保护。 熔剂保护:使用碱金属和碱土金属的氯化物和氟化物,以及某些不活泼的氧化物。熔剂在熔体表面形成一层连续完整的覆盖层,隔绝空气,防止氧化。此外,熔剂在精炼时对非金属夹杂物具有良好的润湿和吸附能力,可起到精炼净化作用。 气体保护:对镁液具有保护作用的气体SO2、CO2、SF6和惰性气体等,常用的是SF6、CO2与空气的混合气体。气体保护可避免造成熔剂夹渣并改善生产环境,但不具有精炼作用,而且SF6是严重污染大气的气体。 精炼:目的是除去镁熔液中的氧化镁等夹杂物,使熔体净化。主要使用的精炼剂是MgCl2。通过强烈搅拌使熔融MgCl2进入金属液,密度低而上浮,吸附并携带悬浮于镁液中的氧化镁等非金属夹杂物,达到净化熔体的目的。 变质处理:目的是细化晶粒,提高性能。镁铝系合金常用碳变质或熔体过热变质法,而镁锌系及镁
稀土系合金用锆变质。目前,国内外对镁合金变质剂和变质方法的研究很多,不断出现新的成果。
第二章铸造技术
铸造是指将金属、合金或复合材料熔化成为液体(熔体),浇注于具有特定型腔的铸型中凝固成形的一种金属材料成形方法。铸造法是制备金属及合金的锭坯和零件毛坯的主要方法之一。
砂型铸造是最主要的铸造方法。还有许多特种铸造方法,如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、壳型铸造、陶瓷型铸造等。特点是铸型用砂较少或不用砂,采用特殊工艺装备。可以获得表面更光洁、尺寸更精确、机械性能更高的铸件。
第一节铸件成形基本原理
金属的充型能力:液态金属充填铸型型腔,获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力称为金属的充型能力。金属的充型能力和金属的流动性、浇注条件以及铸型等因素密切相关。
浇注条件:
(1)浇注温度。浇注温度对充型能力有决定性的影响。一般都要求一定的过热度。
(2) 浇注压力。液态金属在流动方向上所受的压力愈大,充型能力就愈好。
(3)铸型条件。铸型温度越高、导热系数越小、蓄热系数越小则充型能力越好。
凝固过程:金属液注入铸型后,与型腔表面接触的先冷却结晶为固态。此时金属由外层固相区、•• • • • • • • •
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• 未结晶的心部液相区以及之间的两相区(凝固区)组成。随着热量不断从铸件中心向铸型传递,铸件内部温度降低,凝固区向液相区延伸,固相区扩大,直至液相全部消失。 凝固方式: 在铸件凝固过程中,对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。铸件的“凝固方式”就是依据凝固区的宽窄来划分的。 糊状凝固:合金结晶温度范围宽,铸件截面上温度变化小,液固共存的凝固区贯穿整个断面,又称同时凝固。 中间凝固:大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间,称为中间凝固方式。
顺序凝固原则:通过在铸件上可能出现缩孔的厚大部位安置冒口等工艺措施,使远离冒口部位先凝固,而后靠近冒口部位凝固,最后是冒口本身凝固。以避免铸件产生缩孔、疏松缺陷。
铸锭的宏观组织:包括晶粒的形状、大小和分布状况及溶质重新分布形式等。
液态金属在铸型内凝固时,根据含溶质的种类与铸型材料、熔化及浇注温度、浇注方法等能够得到不同的凝固组织,通常其宏观组织具三个晶体形态不同的区域。
等轴晶区:处于铸锭(件)
铸锭组织的控制:就是控制铸锭(件)中等轴晶区和柱状晶区的相对比例。希望获得细小的各向同性的等轴晶组织,要求抑制柱状晶的长大,主要途径如下。
(1) 增加形核的机率。
(2) 抑制晶体的长大。
(3) 使正在生长的枝晶产生“颈缩”。
(4) 促使颈缩晶体脱离模壁或枝晶干。
(5) 使熔断破碎的晶体不被重新熔化。
铸件凝固组织形态的控制:指晶粒形态和相结构的控制。相结构在很大程度上取决于合金的成分,而晶粒形态及其尺寸则是由凝固过程决定的。 • • • • • • •• • • • • •
确定分型面的原则
1)便于取模:分型面的确定应能方便、顺利地取出模样或铸件,分型面一般选在铸件的最大截面处。 • 砂型铸造的工艺过程如图所示。
砂型铸造的特点及应用:
1.适应性强,不受铸件材质、尺寸、质量和生产批量的限制,所有铸件都可以采用。
2.一次性铸型,造型工作量大,劳动强度大,生产效率低。采用机器造型可提高生产效率。
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• 3.铸件尺寸精度和表面质量差,加工余量大。 4.影响质量因素多,废品率高,机械性能差。 5.设备简单,投资小,生产成本低。 熔模铸造、陶瓷型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、连续铸造和消失模铸造等。在提高铸件质量、劳动生产率、降低成本和改善劳动条件等方面,表现出其特殊的优越性。 金属型铸造: 利用金属材料制成铸型或型芯,在重力条件下将熔融金属浇入铸型。一套金属型可以重复使用,
又称为永久型铸造。
熔模铸造:
• 利用易熔材料制成模型,在模型表面粘挂耐火材料,然后加热将模型熔失再浇注型腔。工艺过程包
括蜡模制造、制壳、脱蜡、焙烧和浇注等工序。
熔模铸造的特点和适用范围:
a. 铸件精确高、光洁。无分型面,能实现少或无切削铸造。
b. 可铸造形状复杂铸件。型壳在高温下浇注使金属具有良好的充型能力。
c. 不受铸造合金种类的限制。型壳材料的耐热性好,适于各种铸造合金。
• 压力铸造:
• 将金属液在压铸机内高压高速充型获得铸件。所用铸型称压铸模,静型固定在压铸机上,动型可水
平移动,并装有抽芯和顶出机构。
• 特点是生产效率高,铸件质量好。但只适于大批量生产有色合金中小铸件。
• 离心铸造:
• 将金属液浇入高速旋转铸型中,在离心力作用下填充铸型并凝固成形。铸件的轴线与旋转铸型轴线
重合,多为简单圆筒形,不用芯子即可形成内孔。
离心铸造必须在离心铸造机上进行,可分立式和卧式两类。
离心铸造的特点:
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• a.离心力改善铸件补缩,减少缩孔气孔等。 b.不用型芯和浇冒口,简化套管类铸件生产。 c.易充型,可铸流动差的金属、双金属铸件。 d.易偏析,不适于铅青铜等密度偏析大合金,也不适易氧化的铝和镁合金,自由面内腔难以控制。 连续铸造:
• 将熔融金属液连续浇入到结晶器中,铸件从另一端引出,获得任意长度等截面铸锭或铸件。 • 在结晶器下端插入引锭为底,浇注金属液达一定高度时,使引锭下降并补充金属液,即可从下面连
续拉出铸锭。
• 第三章半固态铸造
• 介于液态成形和固态成形之间的一种金属成形方法,已发展了流变铸造和触变铸造两种方法。
半固态铸造的原理:
• 合金熔化后冷到液相线下搅拌,使初生树枝状晶被破坏,与周围金属液摩擦熔融成小块卵球状
颗粒均匀分布。这时合金虽然固态组分高达40-60%,仍具一定的流动性。在剪切力较小时,又具有固体性质,可以进行搬运储存。
• 半固态的流变性能:
• 随着剪切速率的增加,半固态合金的粘度降低,即具有剪切稀释效应,屈服值低2-3个数量级,并
具有触变性。所以是有触变性和一定屈服值的假塑性流体。
半固态铸造的特点:
• 应用范围广。
• 铸件质量高,力学性能好,尺寸精度高。
• 减小了对成形装置的热冲击,节约能源。
• 便于实现自动化,提高了劳动生产率。
• 生产成本低。
第四章快速凝固技术
• 主要通过提高凝固冷却速度的方法来提高凝固过冷度和凝固速度。一般把凝固冷速大于l02-104K/
s确定为急冷凝固技术的冷速下限。
快速凝固合金的组织特征:
• a.
• b. 能产生微晶及纳米晶,并保持高度过饱和固溶。
• c.
• d.
快速凝固的方法:
• “动力学”
• “热力学”方法是提供近似均匀的形核条件,达到很大的凝固过冷度而提高凝固速度。
急冷凝固技术:
• 求金属熔液必须被分散,至少在一个方向上的尺寸极小。第二,提高凝固过程中的传热速度。要求必须有能迅速带走热量的冷却介质。
• 大过冷凝固技术:
• 在熔体中形成尽可能接近均匀形核的凝固条件,获得大的凝固过冷度。通常在熔体凝固过程中
促进非均匀形核的形核物媒质主要来自熔体内部和容器壁(如坩埚、锭模等),因此大过冷技术就是主要从这二个方面设法消除形核媒质。
• 第五章粉末冶金
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• 研究制造各种金属粉末和以粉末为原料通过压制成形、烧结和必要的后续处理制备材料和制品的科
学技术。制品具有优异的组织和性能,或表现出显著的技术经济效益。
• 粉末冶金技术的特点:
• 独特性:能够生产许多用其它制备方法所不能生产的材料和制品。
• 经济性:能获得具有最终尺寸和形状的零件,不需要或需要很少机械加工,可大量节省金属原材料,
节省工时,节约能源等,因而具有突出的经济效益。
粉末冶金的工艺过程:
• 原料粉末的制备:
• 制备压坯:粉末物料在专用压模中加压成形得到一定形状和尺寸的压坯。
• 烧结:压坯在低于基体金属熔点的温度下加热,使制品获得最终的性能。
• 第七章单晶材料的制备
• 单晶是由结构基元(原子、原子团、离子等)在三维空间内按长程有序排列而成的固态物质,或由结
构基元在三维空间内呈周期性排列而成。
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• 单晶体的基本性质: 均匀性: 不同部位的宏观性质相同; 各向异性: 不同方向上有不同的物理性质; 自限性:有自发形成规则几何多面体趋向; 对称性: 在特定方向外形及物理性质相同。 最小内能和最大稳定性,即物质的非晶态一般能够自发地向晶态转变。
单晶制备方法:
即晶体生长,将非晶态和多晶态物质或反应物通过一定的物理或化学手段转变为单晶状态。块状单晶常先将结晶物质熔化或溶解,然后控制热力学条件使晶相生成并长大,相应方法有熔体法、常温溶液法、高温溶液法等。
再结晶生长法(应变退火法): ••
先塑性变形,然后加热退火,使晶粒尺寸增大。塑性变形储存大量的应变能,是应变退火再结晶中的主
要推动力。
该法在较低温度生长,且晶体形状可定,缺点是难以控制成核以形成大单晶。
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• 熔体法: 控制凝固成核使一个(或几个)晶核作为籽晶,让所有生长都在它上面发生。通常是控制温度梯度使晶核处熔体区产生最大过冷度来实现。主要有定向凝固法、提拉法和区域熔化法。
•定向凝固法:
• 通过坩埚下降或加热器上升使等温线足够缓慢移过坩埚,熔体界面跟随着移动。由熔融态首先成核
的是几个微晶。再使这些微晶之一控制固液界面。常用来生长金属、半导体和碱或碱土卤化物,如用选晶法或籽晶法制取单晶高温合金铸件。
提拉法(幌法):
结晶材料在坩埚中熔化,籽晶下降与熔体液面接触,同时旋转籽晶并搅拌熔体,待籽晶微熔后缓慢向上
提拉,随温度降低直径变大而放肩,再保持温度和提拉速度使等径生长。用于快速生长大的半导体单晶Si、Ge及激光晶体。
区域熔化法:
将单晶体籽晶部分熔化,然后熔区向右移动。如料舟左端收尖,可不需要籽晶。为防止晶体吸附在料舟
上引起应变,用可变形或软的料舟。悬浮区熔法借助表面张力支持垂直的熔化液区。
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• 常温溶液法 过饱和度为溶液法晶体生长的驱动力。 晶体生长的关键是把溶液状态控制在亚稳定区内,避免进入不稳定区和稳定区。 有降温法、流动法、蒸发法、电解溶剂法及凝胶法等。
高温溶液法
结晶物在高温助熔剂中形成溶液,在过饱和下生长单晶,基本原理与常温溶液法相同,助熔剂的选择和溶液相关系的确定是高温溶液法晶体生长的先决条件。包括缓冷法、助熔剂挥发法、籽晶降温法、溶液提拉法和移动溶剂熔区法。
其它晶体生长方法
水热法高温高压法:焰熔法:
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