材料制备技术复习总结

冶金分类

1）火法冶金

矿石准备→冶炼→精炼

工艺特点：效率高、成本低、污染大

主要方法：提炼冶金氯化冶金喷射冶金真空冶金

2）湿法冶金

浸取→固-液分离→溶液富集→提取金属

工艺特点：环境友好、对矿石要求低、效率低、周期长

主要浸取方法：酸浸碱浸氨浸氰化物浸取有机溶剂浸取

3）电冶金——与火法冶金类似，利用电能提取金属.

主要方法：电热熔炼水溶液电解熔盐电解

1.2 生铁的冶炼

1. 现代生铁冶炼方法

高炉炼铁法：焦炭为能源基础

非高炉炼铁法：煤、燃油、天然气等为能源基础

铁矿石的选矿与烧结

（1）选矿——利用矿物性质（如物理或物理化学性质）的差异，借助各种选矿设备将矿石中的有用矿物与脉石矿物分离，并达到使有用矿物相对富集的过程。

物理选矿（重选磁选电选）浮游选矿（据表面的物理化学性质（如颗粒表面的浸湿性等）差异）化学选矿其他选矿

（2）烧结，就是将精矿粉、富矿粉（小于8mm）与配入的熔剂粉（小于3mm的石灰石粉和白云石粉）和燃料粉（焦粉或无烟煤粉）组成混合料，同时加入一定量的水，在烧结车上烧结成多孔蜂窝状的烧结矿的过程。

2、熔剂

作用：形成低熔点易流动的炉渣、脱S（碱性熔剂）

种类：

碱性铁矿中脉石为酸性氧化物，包括：石灰石、白云石、石灰

酸性铁矿中脉石为碱性氧化物，主要为：SiO2

中性高Al熔剂，主要为：含Al2O3高的铁矿

熔剂的质量要求

①碱性氧化物含量（CaO+MgO≥52%）

概念：石灰石有效熔剂性CaO（有效）=CaO（石灰石）-R×SiO2（石灰石）

②S、P↓S（0.01~0.08%），P（0.001~0.03%）

③减少CaCO3入炉：

原因：a.高温分解吸热b.CO2会冲淡CO浓度造成焦比K增加。

3、燃料——焦炭

三、高炉本体

由耐火材料砌筑成竖式圆筒形，外有钢板炉壳加固密封，内嵌冷却设备保护。

炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五个部分，该容积总和为它的有效容积。

四、高炉冶炼基本原理

（一）高炉还原过程

（1）块状带：矿焦保持装料时的分层状态，与布料形式及粒度有关，占总体积60%±（200~1100℃）

主要反应：水分蒸发；结晶水分解；除CaCO3外的其它MCO3分解；间接还原；碳素沉积反应（2CO=C+CO2）（2）软熔带：矿石层开始熔化与焦碳层交互排列，焦碳层也称“焦窗”形状受煤气流分布与布料影响，可分为正V型，倒V型，W型

主要反应：Fe的直接还原；Fe的渗碳；CaCO3分解；吸收S（焦碳中的S向渣、金、气三相分布）；贝波反应：C+CO2=2CO （3）滴落带：主要由焦碳床组成，熔融状态的渣铁穿越焦碳床

主要反应：Fe、Mn、Si、P、Cr的直接还原，Fe的渗C

（4）回旋区：C在鼓风作用下一面做回旋运动一面燃烧，是高炉热量发源地（C不完全燃烧），高炉唯一的氧化区域。（5）炉缸区：渣铁分层存在，焦碳浸泡其中

主要反应：渣铁间脱S，Si、Mn等元素氧化还原

2.铁的间接还原与直接还原

（1）间接还原：用CO、H2为还原剂还原铁的氧化物，产物无CO2、H2O的还原反应。

特点：放热反应，反应可逆

（2）直接还原：用C作为还原剂，最终气体产物为CO的还原反应。

特点：强吸热反应，反应不可逆

（3）直接、间接还原区域划分：取决于焦碳的反应性

低温区＜800℃基本为间接还原；中温区800~1100℃共存；高温区＞1100℃全部为直接还原

3.非铁元素的还原

（1）Mn的还原：还原特点：间接还原放热大，使炉顶温度↑；直接还原吸热大，使焦比↑

控制Mn还原的手段：提高炉缸温度，但会使Mn的挥发损失↑；提高炉渣R；生铁中保持一定[Si]

（2）Si的还原：Si还原的特点：大量吸热，全部直接还原

控制Si 还原的因素：提高炉缸温度利于Si 的还原；↓炉渣R利于Si的还原

（3）P的还原P100%还原入铁，只有原料控P

（4）含Ti矿的冶炼固熔体使炉渣粘稠

（二）造渣与脱S

1.造渣的概念与作用

概念：根据脉石、焦碳灰份组成及数量，选择适当的熔剂，形成具有一定性能的炉渣。

作用：（1）促进或抑制某些化学反应（2）保护炉墙（高炉长寿）

2.造渣过程

（1）初渣：由软化前沿至熔化前沿生成

生矿：成分不均匀，软熔区间大操作困难

酸性烧结矿：成分较均匀，但初渣为酸性

碱性烧结矿：成分可预定，存在一定CaO，流动性好

（2）中间渣：初渣向下温度升高，（FeO）被还原，并吸收CaO，R↑

（3）终渣：主要成分：（SiO2）+（Al2O3）+（CaO）+（MgO）＞95%，（FeO）＜1%

3.脱S

降低生铁[S]途径：①降低S负荷（降低焦碳S含量）②气化脱S（一定值）③适宜的渣量

提高炉渣脱S能力的因素：①↑温度②↑还原气氛③↑R

（三）风口前C的燃烧

意义：（1）提供热量80%（2）提供还原剂（3）影响炉料下降

五、高炉冶炼产品

高炉冶炼的主要产品是生铁。炉渣和高炉煤气为副产品。

非高炉炼铁

非高炉炼铁的特点：不使用焦炭；反应温度与还原程度关系与高炉法明显不同；

非高炉法钢铁厂投资少、周期短、灵活性强、适应性强；

目前规模较小、方法多、未形成强势流程，处于完善研究及发展中。

（1）直接还原法

以气体燃料、液体燃料或非焦煤为能源，在铁矿石（或铁团块）呈固态的软化温度以下进行还原获得金属铁的方法。由于还原温度低，产品呈多孔低密度海绵状结构，含碳低、未排除脉石杂质的金属铁产品，称直接还原铁（DRI），或称海绵铁。

（2）熔融还原法

以非焦煤为能源，在高温熔融状态下进行铁氧化物还原，渣铁能完全分离，得到类似高炉的含碳铁水，其目的在于不使用焦炭。

一步法-Dored法：是在一个反应器中完成矿石还原熔炼的全过程；

优缺点：工艺流程短，设备简单，实际应用中存在能耗高及高FeO渣严重侵蚀炉衬的难题，至今尚未得到解决。

二步法-KR法(COREX法)：将熔融还原过程分为固相预还原及熔态终还原并分别在两个反应器中完成；

优点：改善了能量利用，降低了渣中FeO浓度。

转炉系统

转炉本体

炉底:分截锥型和球冠型;

炉帽:为截椎型,减少喷溅及热损失;

炉身:采用圆柱形;

副枪用于了解吹炼过程某一时刻成分与温度，实现动态控制。由枪身及探头组成，钢液由探头侧面小孔流入样杯。可测温、取样、定碳、测定熔池高度。

铜在炉渣中的损失：

化学损失：包括铜硫化物的溶解和铜的氧化物与溶剂或脉石发生造渣反应所引起的铜损失。

机械夹杂损失：主要是冰铜悬浮物、金属夹杂物和未来得及澄清分离的低相液滴。

冰铜的吹炼

是将粗铜中的这些杂质尽量除去，为下一步的电解精炼提供合格的铜阳极板。

黄铜的铸造性能

①流动性好

②收缩大，易形成缩孔。应采用顺序凝固加冒口补缩。

③铜易形成Cu2O夹杂物。

熔炼时加入硼砂、玻璃作熔剂，覆盖在合金液面上，可隔离空气，防止氧化；黄铜中的锌元素是良好的脱氧剂，锌的蒸发可把铜液中的杂质带出而排除。熔剂层可减少锌的过量蒸发损失。

锡青铜(Cu-Sn)：

机械性能，致密性均比黄铜差；结晶间隔大，流动性差，产生缩孔，但易产生显微缩松。对轴承等零件，有利于储润滑油，提高耐磨性。当厚度不大时，采用同时凝固，可细化晶粒，使缩松均匀分布。锡青铜很容易被氧化。熔炼时，在加入熔剂隔离空气的同时，还要加入磷进行脱氧。

铝青铜：

是以铝和铜为主要成为的合金。用铝代锡可节省锡资源，降低成本，并具有良好的机械性能和耐磨损，耐大气、海水、有机酸腐蚀的性能。铝青铜的收缩大，缩孔倾向大，铸造工艺上多采用顺序凝固加冒口补缩的方案。

比重轻镁(1.74) 铝(2.70) 铁(7.87)；

比强度和比刚度比铝、钢高；

良好的阻尼减震性能；优良的导电、导热性能；

良好的电磁屏蔽性能；

良好的机加工性能；

废料易回收重复使用；

被誉为二十一世纪绿色工程材料

快速凝固技术

问题的提出：常规铸造合金会出现晶粒粗大、偏析严重、铸造性能不好等严重缺陷。

定义：快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。

冷却条件冷却速率/(K·S -1)组织特征

工业冷却速率砂型铸件和铸锭10-3---100平衡条件的晶粒组织,如粗树枝晶,共晶和其他结构。

中等冷却速率薄带，模铸件，普通雾化

粉末

100---103

精细显微结构,如细树枝晶,共晶和其他结

构。

快速凝固雾化细粉、喷雾沉积、电

子束或激光玻璃化处理

103---106

特殊显微结构,如扩大固溶度，微晶结构，

亚稳结晶相，非晶结构。

非平衡凝固的现象

1、偏析形成倾向减小随着凝固速率的增大，溶质的分配因数将偏离平衡，其趋势是不论溶质分配系数k>1还是k<1，实际溶质分配因数总是随着凝固速率的增大趋近于1 ，偏析倾向减小。

2、非平衡相的形成在快速凝固条件下，平衡相的析出可能被抑制，析出非平衡的亚稳相。

3、凝固组织细化大的冷却速率不仅可以细化枝晶，而且由于形核速率的增大而使晶粒细化。随着冷却镀铝的增大，晶粒尺寸减小，获得微晶，乃至纳米晶。

4、微观凝固组织的变化在凝固过程中，冷却速率的变化会对凝固组织产生影响，当达到绝对稳定的凝固条件时，可获得无偏析的凝固组织。除此之外，大冷却速率还可以使析出相的结构发生变化。随合金类型与成分的变化，相同成分的合金在不同冷却速率下可获得不同的组织。

5、形成非晶态组织当冷却速率极高（凝固条件适当）时，结晶过程将被完全抑制，获得非晶态的固体。

快速凝固产品的结构特点

1. 凝固速度快，溶质产生非平衡分配，是无溶质分配的凝固，无偏析或少偏析，固液界面的稳定性增加，凝固形成了平面、无偏析的等轴晶。

2. 形成微晶或纳米晶，溶质元素固溶度增大，形成新相和亚稳相。

3. 形成非晶组织。

4. 形成准晶组织。

快速凝固产品的性能特点及产品特征

1. 快速凝固合金组织细化和均匀化，具有很好的的晶界强化与韧化、微畴强化与韧化作用，合金的强度、韧性和延展性得到改善。

2. 快速凝固合金固溶度扩大，形成新相或亚稳相起到强化和韧化的作用，合金的硬度、强度、韧性、耐磨、耐腐蚀性得到改善。

3. 快速凝固产品仅限于粉末、线材和薄带等二维以下形态。

实现快速凝固的工艺途径

动力学途径——急冷凝固技术提高凝固时的冷速，使熔体凝固时间极短。

热力学途径——大过冷技术设法提供近似均匀形核条件。

急冷凝固技术减少单位时间内金属凝固时的熔化潜热；提高凝固过程中的传热速度。

急冷快速凝固：通过提高熔体凝固时的传热速率从而提高凝固时的冷却速率，使熔体形核时间极短，来不及在平衡熔点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低温度凝固，因而具有很大的凝固过冷度和凝固速率。

分为：雾化技术模冷技术表面熔化及沉积技术（需要在课本上具体看）

大过冷快速凝固技术见课本

粉末冶金

粉末冶金是以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)为原料，通过成形、烧结或热成形制成金属制品或材料的一种冶金工艺技术。粉末冶金生产工艺与陶瓷制品的生产工艺类似，因此人们又常常称粉末冶金方法为“金属陶瓷法”。粉末冶金的特点：

1）某些特殊性能材料的唯一制造方法；

2）可直接制出尺寸准确，表面光洁的零件，是少甚至无切削生产工艺；

3）节约材料和加工工时，成本低,适合大批量生产。

4）制品强度较低；

5）流动性较差，形状受限制；

6）压制成形的压强较高，制品尺寸较小；

7）压模成本较高。

粉末冶金基础

粉末冶金的主要工序有粉末制备、粉末预处理、成形、烧结及后处理等。

2.粉末的物理性能

1）颗粒形状：由粉末的生产方法决定，同时也与物质的分子或原子排列的结晶几何学因素有关；决定粉末工艺性能。

2）粒度组成：指不同粒度的颗粒占全部粉末的百分含量，又称粒度分布。

3）粉末比表面：指每克粉末所具有的总表面积，通常用cm2/g或m2/g表示。

3.粉末的工艺性能

粉末的工艺性能用粉末的松装密度、流动性、压缩性与成形性来表征。

1）松装密度是指粉末试样自然地充填规定的容器时，单位体积内粉末的质量，单位为g／cm3。

2）流动性是50g粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间，单位为s／50g，其倒数是单位时间内流出粉末的重量，俗称为流速。

3）压缩性代表粉末在压制过程中被压紧的能力，通常以在规定单位压力下粉末的压坯密度表示。

4）成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力，通常用粉末得以成形所需的最小单位压制力表示或用压坯强度来表示。

粉末的制备

工业上普遍采用的有：氧化物还原法、电解法、热离解法、球磨法、涡旋研磨法、雾化法。

粉末的成形

成形的目的是制得具有一定形状、尺寸、密度和强度的压坯。粉末冶金常用的成形方法如下所示。模压成形是最基本方法。

成形分为加压成型和无压成型

无压成型：松装烧结粉浆浇注

加压成型：模压热压等静压轧制离心挤压爆炸成形

1.粉末预处理：粉末退火，筛分，混合，制粒，加润滑剂等。

粉末的预先退火可使氧化物还原，降低碳和其他杂质的含量，提高粉末的纯度；同时，还能消除粉末的加工硬化、稳定粉末的晶体结构。

筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。

混合一般是指将两种或两种以上不同成分的粉末混合均匀的过程。混合可采用机械法和化学法。

制粒是将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，以此来改善粉末的流动性。

2.压制成形

度、强度的压坯。

粉末的压缩过程一般采用压坯密度——成形压力曲线来表示，压坯密度变化分为三个阶段。

滑动阶段：在压力作用下粉末颗粒发生相对位移，填充孔隙，压坯密度随压力增加而急剧增

加；二是粉末体出现压缩阻力，即使再加压其孔隙度不能再减少，密度不随压力增高而明显

变化；三是当压力超过粉末颗粒的临界压力时，粉末颗粒开始变形，从而使其密度又随压力

增高而增加。

为了改善压坯密度的不均匀性，一般采取以下措施：（密度不均匀的形式）

1）减小摩擦力：模具内壁上涂抹润滑油或采用内壁更光洁的模具；

2）采用双向压制以改善压坯密度分布的不均匀性。

3）模具设计时尽量降低高径比。

烧结

烧结是将压坯按一定的规范加热到规定温度并保温一段时间，使压坯获得一定的物理及力学性能的工序。

烧结机理：粉末的表面能大，结构缺陷多，处于活性状态的原子也多，它们力图把本身的能量降低。将压坯加热到高温，为粉末原子所储存的能量释放创造了条件，由此引起粉末物质的迁移，使粉末体的接触面积增大，导致孔隙减少，密度增高，强度增加，形成了烧结。

固相烧结：烧结发生在低于其组成成分熔点的温度，如普通铁基粉末冶金轴承烧结。

液相烧结：烧结发生在两种组成成分熔点之间。如硬质合金与金属陶瓷制品的烧结。液相烧结时，在液相表面张力的作用下，颗粒相互靠紧，故烧结速度快、制品强度高。

烧结时的影响因素：烧结温度、烧结时间和大气环境，粉末材料、颗粒尺寸及形状、表面特性以及压制压力等。

后处理

后处理的方法按其目的不同，有以下几种：

1）为提高制件的物理及力学性能，方法有：复压、复烧、浸油、热锻与热复压、热处理及化学热处理。 2）为改善制件表面的耐腐蚀性，方法有：水蒸气处理、磷化处理、电镀等。 3）为提高制件的形状与尺寸精度，方法有：精整、机械加工等。

4）熔渗处理，它是将低熔点金属或合金渗入到多孔烧结制作的孔隙中去，以增加烧结件密度、强度、塑性或冲击韧度。

粉末冶金模具

根据用途可分为：压模、精整模、复压模、锻模、挤压模、热压模、等静压模、粉浆浇铸模、松装烧结模等。 按制作材料又可分为：钢模、硬质合金模、石墨模、塑料橡皮模和石膏模等。

单向压模在压制过程中，相对于阴模运动的只有一个模冲，或是上模冲或是下模冲。如图5-7是压制轴套类压坯的单向手动压模，其基本组成部分有阴模、上模冲、下模冲和芯杆。一般只用来生产高度不大（高径比H/D ＜1）、形状简单的零件 。

双向压制的特点是：上下模冲相对阴模都有移动，模腔内粉末体受到两个方向的压缩，或下模冲固定不动，由上模冲和阴模对着下模冲做不同距离的移动，实现双向压制。

摩擦芯杆压模压制特点：芯杆和上模冲同速同向对着固定的阴模和下模冲移动压缩粉末体，或者是阴模和上模冲同速同向对着固定的芯杆和下模冲运动压缩粉末体。一般用于压制较长的薄壁套类零件的压坯。

常用粉末冶金材料简介

5.3.1 硬质合金

1.硬质合金的性能特点

1）具有很高的常温硬度（69～81HRC ），高的热硬性(可达900～1000０Ｃ)，优良的耐磨性。 2）具有高的抗压强度（可达6000 MPa ），但抗弯强度较低； 3）良好的耐蚀性(抗大气、酸、碱等)和抗氧化性； 4）线膨胀系数小

2.切削加工用硬质合金分类、分组代号

P 适用于加工长切屑的黑色金属，以蓝色作标志；

M 适于加工长切屑或短切屑的黑色金属和有色全属，以黄色作标志； K 适于加工短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料，以红色作标志。 3.硬质合金的应用

1）用作刀具材料。硬质合金作刀具材料的用量最大，如车刀、铣刀、刨刀、钻头等；

2）用作模具材料。用硬质合金作模具主要是指冷作模，如冷拉模、冷冲模、冷挤模和冷镦模等； 3）用作量具及耐磨零件。如千分尺、块规、塞规等

粉末冶金制品结构工艺性

5.4.1 考虑压制困难性及简化模具

零件的内、外螺纹、倒锥度、与压制方向垂直的孔、槽等均不能直接压制出

中与压制方向垂直的退刀槽需改第二个图

粉冶材料 铁基制品 铜基制品 硬质合金 不锈钢 磁性材料 (F e -N i -C 0) 钨、铝、钒 烧结温度℃ 1050～2000 700～ 900 1350 ～1550 1250 1200 1700 ～3300

烧结气氛

发生炉煤气，分解氨

分解氨，发生炉煤气

真空、氢

氢

氢、真空

氢

应在模具上做出垫块（图5-11b）

5.4.2 考虑脱模困难性

在压坯脱模过程中，压坯上的一些薄弱部位有可能在上述切应力作用下发生毁坏。所以零件在结构上应尽可能避免薄壁、深而窄的槽、锐边、小而薄的凸台等形状。

5.4.3 考虑粉末均匀填充及压坯密度

密度均匀是压坯质量的一个重要指标。在压制薄壁或截面上厚度差异较大的压坯时，装粉不易均匀，薄壁和尖角处难于充填粉末，引起压坯密度很不均匀，烧结时易发生变形或开裂。

压坯的最小壁厚取决于零件尺寸。一般偏心孔零件最薄处壁厚t≥1mm（图5-15a所示）。设计圆柱体空心件最小壁厚规定为1.2mm；实际设计中，壁厚t与高度H有关，一般取H/t＜20（图5-15b）。

考虑壁厚均匀的改进

零件结构带有尖角时，不利于装粉、密度不易均匀、且模具制造困难、寿命低，宜将尖角改为圆弧

5.4.4 考虑压模强度及寿命

主要应考虑压模结构上一些薄弱部位易在压制高压下损坏。例如，机械加工中极易加工的倒角，在粉末冶金压制时，成了模具的薄弱部位（尖角）而极易在压制时损坏（图5-16a所示），宜改成图5-16b所示结构。

粉末冶金技术的新发展

5.5.1 粉末制备

1. 快速冷凝技术

2.机械合金化

3.自蔓延高温合成SHS

4.气体雾化制粉

5.5.2 成形

1.粉末注射成形

2.喷射沉积

3.大气压力固结

4.温压技术

5.流动温压工艺

5.5.3 烧结

1. 电场活化烧结

2. 等离子体活化烧结

3. 微波烧结

4. 低温烧结