材料科学与工程基础.顾宜.第5章
48页1、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),铁的制备:,还原,焦碳(C) 或CO,产热570 作还原剂,造渣,熔剂,碳石(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,铁制备反应原理:, 还原反应:FeO + C = Fe + CO(直接还原、高炉下部高温区进行),CO间接还原,造渣反应:酸性氧化物与碱性氧化物的中和反应, 十分复杂。,钢的制备,炼钢的目的: 降低生铁中C含量 去除有害杂质 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:,杂质氧化,氧化剂(O2、FeO),脱氧(还原),脱氧剂(硅、锰、铝及铁合金 ),造渣,熔剂(石灰、萤石、白云石),
2、炼钢反应原理:,杂质氧化,2Fe + O2 2FeO Si + 2FeO SiO2 + 2Fe Mn + FeO MnO +Fe C + FeO Fe + CO 2P + 5FeO P2O5 +5Fe,脱氧(还原),2FeO + Si SiO2 + Fe FeO + Mn MnO + Fe 氧化后钢液中存在 3FeO + Al Al2O3 + 3Fe 较多FeO,必须除去,造渣除渣:与炼铁类似,熔炼,Fe等杂质随熔渣除去,吹炼,Cu2S + 3/2 O2 Cu2O + SO2 Cu2O +FeS Cu2S +FeO 2 Cu2O + Cu2S 6Cu + SO2,铜的制备:火法炼铜法,火法精炼 或电解精炼,目的:去除杂质 提取贵金属,铝的制备:,Al2O3的 制备, 湿碱法:铝矿石 + NaOH溶液,2NaAlO2水溶液,稀释、过滤、结晶,加Al(OH)3晶核,Al(OH)3,9501000,煅烧,Al2O3, 干碱法:,铝矿石 + CaCO3 + Na2CO3,1100,烧结,烧结块,加水稀释,沉淀杂质,NaAlO2水溶液,通入CO2,Al(OH)3,9501000,煅烧,Al2O3
3、,Al2O3自焙电解,900,电解,Al3+ + 3e Al 阴极、铝纯度达99.7% 2AlO33- 6e Al2O3+ 3/2 O2 阳极,自焙阳极电解槽见图5-6,无机非金属材料的制备,无机非金属材料 (Inorganic Nonmetallic Materials),陶瓷(Ceramics) 玻璃(Glass) 水泥(Cement) 耐火材料(Firebrick),基本化学成份属硅酸 盐(Siticate)物质,陶瓷原料,天然原料:粘土类矿物、长硅类矿物、石英 类矿物 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,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:熔融态粘度低;成型后冷却,定型速度快;消除内应力。,玻璃制备过程: 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
4、、均化和玻璃液的冷却即熔融成型 深加工:切裁、热处理、钢化、夹层化、中空化、镀膜等,玻璃成型加工方法,浮法(平板玻璃) 吹制法(空心制品) 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。,硅酸盐水泥 活性成份,硅酸三钙 3CaOSiO2(C3S) 4462% 硅酸二钙 2CaOSiO2(C2S) 1830% 铝酸三钙 3CaOAl2O3(C3A) 512% 铁铝酸四钙 4CaOAl2O3Fe2O3(C4AF) 1018%,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,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
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