1、现代材料制备技术,(工程材料制备),陈 刚 教授 Tel:13873120655 QQ:18038463,32课时；2学分；闭卷；综述,作 者：于文斌 等主编 出版社：西南师范大学出版社 出版时间：2006-8-1,作 者：许春香 主编 出版社：化学工业出版社 出版时间：2010-9-1,作 者: 谢建新 出版社：冶金工业出版社 出版日期：2004-3-1,第一讲：材料与材料制备金属材料的冶炼和提取,一、材料与材料制备,材料与工程材料,所谓材料，是指那些能够用于制造结构、器件或其他有用产品的物质。广义地讲，食物、药物、生物物质、肥料、矿物燃料、水和空气等都是材料，它们是以消耗自身去完成其功能的
2、，故人们习惯把它们列入生物、生命、农业等领域。我们把金属、陶瓷、聚合物、半导体、超导体、介电材料、木材、沙石及复合材料等主要用于工业和工程领域的材料称为工程材料。作为工程材料应具有工程应用价值的物理性能或力学性能。,第一章 材料与材料制备,工程材料分类,结构材料,功能材料,材料的性能特征,组成与结构特点,金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料,材料的用途,建筑材料、能源材料、机械工程材料、电子工程材料,第一章 材料与材料制备,工程材料分类,结构材料,功能材料,材料的性能特征,结构材料是以力学性能为主的工程材料的统称，又称机械工程材料，人们主要是利用它们的力学性能（或机械性能）来实现
3、承担或传递载荷的目的。结构材料主要用于制造工程建筑中的构件、机械装备中的支撑件、连接件、运动件、传动件、紧固件、弹性件及工具、模具等。这些结构零件都是在受力状态下工作的，因此力学性能（强度、硬度、塑性、韧性等）是其主要性能指标。材料研究和制备的目的就是要获得能够满足工程制造中某种或某些特定性能要求的材料。功能材料是指以物理性能为主的工程材料，即指在电、磁、声、光、热等性能方面有特殊功能的材料，例如磁性材料、电子材料、信息材料、敏感材料、能源材料、生物技术材料等。,第一章 材料与材料制备,材料的作用是与材料的制备和加工紧密联系在一起的。材料只有经过制取、改性、成形和连接等工序才能最终形成产品，体
4、现其功能和价值。因此，材料制备加工技术的突破往往成为新产品能否问世、新技术能否产生的关键。,工程材料的制备,第一章 材料与材料制备,材料制备这个名词或提法是比较新颖的，它是随着材料科学的发展和材料工程的进步，以及材料的合成、加工与成形制造技术的不断创新而提出的，并正在为人们所接受，成为国内外高校材料及其相关专业学生的一门专业课或专业基础课。,第一章 材料与材料制备,关于材料制备，目前尚未形成一个准确的定义，主要是对其所包含的内容和范畴的观点有些不同。一种说法认为材料制备即指材料的合成和加工，其中材料合成是指通过一定的途径，从气态、液态及固态原材料中得到化学上与原材料不同的新材料，材料加工是指通
5、过一定的工艺手段使新材料在物理上处于与原材料不同的状态。另一种说法是指通过材料制备过程获得的新材料应在化学成分、元素分布或组织结构上与原材料有明显的不同。,系材料科学与材料工程的纽带,第一章 材料与材料制备,金属材料的制备包括纯金属材料的冶金和提取、合金材料的熔制及铸锭的制备，以及为满足和提高材料的性能和质量要求而采取的各种工艺技术方法，如变质处理、熔体净化、快速凝固、定向结晶和粉末冶金等。,陶瓷材料的制备主要包括粉末制备、压制成形和烧结等工艺过程。高分子材料的制备主要为高分子的聚合。,第一章 材料与材料制备,材料的制备是新材料的获取和应用的关键，也是对材料进行加工、成形和应用的品质保证，现已
6、成为材料研究与材料加工领域非常引人注目和活跃的技术热点。,第一章 材料与材料制备,通过本课程的学习，我们将学习许多种材料制备的方法，其中包括传统材料的制备方法，新材料的制备方法及新的材料制备技术。在实际生产过程中，往往需要根据所要制备的材料及对材料要求的不同来选择适当的制备技术。,第一章 材料与材料制备,一些材料制备方法的比较,第一章 材料与材料制备,二、金属材料的冶炼和提取(冶金),第二章 金属材料冶炼和提取,冶金是基于矿产资源的开发利用和金属材料的生产加工过程的工程技术。迄今，地球上已发现的86种金属元素，除金、银、铂等金属元素能以自然状态存在外，其他绝大多数金属元素都以氧化物（例如Fe2
7、O3）、硫化物（例如CuS）、砷化物（例如NiAs）、碳酸盐（例如 MgCO3）、硅酸盐和硫酸盐等形态存在于各类矿物中，并与脉石、杂质共生形成不同的金属矿床。因此，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，浇注成锭，制备出所需成分、组织和规格的金属材料。,第二章 金属材料冶炼和提取,利用高温加热从矿石中提取金属或其化合物的方法称为火法冶金。其技术原理是将矿石或原材料加热到熔点以上，使之熔化为液态，经过与熔剂的冶炼及物理化学反应再冷凝为固体而提取金属原材料，并通过对原料精炼达到提纯及合金化，以制备高质量的锭坯。火法冶金是金属
8、材料最重要的传统制备方法。钢铁及大多数有色金属（铝、铜、镍、铅、锌等）材料主要靠火法冶金方法生产。火法冶金存在的主要问题是污染环境。但是，用火法冶金方法提取金属，不仅效率高且成本较低，所以，火法冶金至今仍是生产金属材料的主要方法。,2.1 冶金工艺,第二章 金属材料冶炼和提取,火法冶金,第二章 金属材料冶炼和提取,火法冶金的基本过程,矿石准备、冶炼和精炼,矿石准备 因采掘的矿石含有大量无用的脉石，所以需要经过选矿以获得含有较多金属元素的精矿。选矿后还需要对矿石进行焙烧、球化或烧结等工序处理使适合冶炼。,在矿床、矿体、矿化带形成以后，又经过地壳运动破坏矿体，使之局部张开，由后期的围岩蚀变交代充填
9、在张性裂隙中的、无工业价值的岩脉，称为脉石矿物，脉石不管是金属或者是非金属的，是无工业价值的，有工业价值的脉石就叫做矿脉。,第二章 金属材料冶炼和提取,火法冶金的基本过程,矿石准备、冶炼和精炼,冶炼 将处理好的矿石在高温下用气体或固体还原剂还原出金属单体的过程称为冶炼。金属冶炼所采用的还原剂包括焦炭、氢和活泼金属等。以金属热还原法为例，用Ca/Mg/Al/Na等化学性质活泼的金属，可以还原出一些其他金属的化合物。例如，利用Al可以从Cr2O3中还原出金属Cr,Cr2O3 2Al =2Cr+Al2O3,TiCl42Mg=2MgCl+Ti,第二章 金属材料冶炼和提取,火法冶金的基本过程,矿石准备、
10、冶炼和精炼,精炼 冶炼所得到的金属较为粗糙，通常含有各种杂质，需要进一步处理以去除杂质元素。这种对冶炼制取的粗金属原料进行提高纯度及合金化的处理过程称为精炼。,第二章 金属材料冶炼和提取,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,提炼冶金 提炼冶金是指由焙烧、烧结、还原熔炼、氧化熔炼、造渣、造锭、精炼等单元过程所构成的冶金方法。它是火法冶金中应用最广泛的方法。,第二章 金属材料冶炼和提取,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,氯化冶金 通过氯化物提取金属的方法称为氯化冶金。氯化冶金主要依靠不同金属氯化物的物理化学性质来有效实现金属的分离、提取和精
11、炼。轻金属和稀有金属的提取多采用火法氯化冶金。,第二章 金属材料冶炼和提取,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,喷射冶金 利用气泡、液滴、颗粒等高度弥散系统来提高冶金反应效率的冶金过程称为喷射冶金。喷射冶金是20世纪70年代由钢包中喷粉精炼发展起来的新工艺。,第二章 金属材料冶炼和提取,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,真空冶金 在真空条件下完成金属和合金的熔炼、精炼、重熔、铸造等冶金单元操作的方法称为真空冶金。真空冶金是提高金属材料制备质量的重要生产方法。,第二章 金属材料冶炼和提取,湿法冶金是指利用一些溶剂的化学作用，在水溶液或非水
12、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。,湿法冶金,第二章 金属材料冶炼和提取,浸取是选择性溶解的过程。通过选择合适的溶剂使经过处理的矿石中包含的一种或几种有价值的金属有选择性地溶解到溶液中，从而与其他不溶物质分离。根据所用的浸取液的不同，可分为酸浸、碱浸、氨浸、氰化物浸取、有机溶剂浸取等方法。,浸取、固/液分离、溶液的富集和从溶液中提取金属或化合物等,湿法冶金的基本过程,第二章 金属材料冶炼和提取,浸取、固/液分离、溶液的富集和从溶液中提取金属或化合物等,湿法冶金的基本过程,固/液分离 过程包括过滤、洗涤及离心分离等操
13、作。在固/液分离的过程中，一方面要将浸取溶液与残渣分离，另一方面还要将留存在残渣中的溶剂和金属离子洗涤回收。,第二章 金属材料冶炼和提取,浸取、固/液分离、溶液的富集和从溶液中提取金属或化合物等,湿法冶金的基本过程,富集是对浸取溶液的净化和富集过程。富集的方法有化学沉淀、离子沉淀、溶剂萃取和膜分离等。,第二章 金属材料冶炼和提取,在金属材料的生产中，常采用电解、化学置换和加压氢还原等方法来提取金属或化合物。例如，用电解法从净化液中提取Au、Ag、Cu、Zn、Ni、Co等纯金属，而Al、W、Mo、V等多以含氧酸的形式存在于净化液中，一般先析出其氧化物，然后用氢还原或熔盐电解法提取金属单体。,浸取
14、、固/液分离、溶液的富集和从溶液中提取金属或化合物等,湿法冶金的基本过程,第二章 金属材料冶炼和提取,目前，世界上全部的氧化铝、氧化铀、约74的锌、12的铜及多数稀有金属都是用湿法冶金方法生产的。湿法冶金的最大优点是对环境的污染较小，并能够处理低品位的矿石。,湿法冶金技术回收废旧计算机中的金,硝酸-王水湿法工艺,废旧计算机板卡等部件,预处理,硝酸浸取,过 滤,难溶废料(含Au/Pt/Pd),王水溶解,不溶性板卡废料残留物,王水溶液(含Au/Pt/Pd),亚硫酸钠还原剂还原金,粗 金,精练高品位金,含Pt/Pd溶液,萃取Pt/Pd,硝酸溶液(含Ag及其他),电 解,电解银,其他金属,包括拆解和挑
15、选，将含有贵金属部件在400左右加热以及粉碎至一定粒度，使大部分有机物分解除去,浸泡在约9mol/L的硝酸中并适当的加热，是部件中的Ag、贱金属和Al2O3、CuO、CdO、ZnO、TiO2、NiO等氧化物溶解：Ag+2HNO3AgNO3+NO2+H2O,Au+4HCl+HNO3HAuCl4+2H2O+NO 3Pt+18HCl+4HNO33H2PtCl6+8H2O+4NO 3Pt+18HCl+4HNO33H2PtCl6+8H2O+4NO,2HAuCl4+3Na2SO3+3H2O2Au+3Na2SO4 +8HCl H2PtCl6+Na2SO3+H2OH2PtCl4+Na2SO4+2HCl H2P
16、dCl6+Na2SO3+H2OH2PdCl4+Na2SO4+2HCl,第二章 金属材料冶炼和提取,电冶金,利用电能从矿石或其他原料中提取、回收或精炼金属的冶金过程称为电冶金。电冶金包括电热熔炼、水溶液电解和熔盐电解等方法。,第二章 金属材料冶炼和提取,用电加热生产金属的冶金方法称为电热熔炼。铁合金冶炼及用废钢炼钢等主要采用电热熔炼。电热熔炼包括电弧熔炼、等离子冶金和电磁冶金等。,电热熔炼,第二章 金属材料冶炼和提取,水溶液电解,在电冶金中，应用水溶液电解精炼金属称为电解精炼或可溶阳极电解，而应用水溶液电解从浸取液中提取金属称为电解提取或不溶阳极电解。,电解精炼,电解提取,第二章 金属材料冶炼和
17、提取,将火法精炼制得的铜板作为阳极，以电解产出的薄铜片作为阴极，置放于充满电解液的电解槽中。在两极间通以低电压大电流的直流电。,阳极反应使得电解液中Cu2浓度增大，由于其电极电位大于零，故,阳极将发生电化学溶解：,CuCu2e,纯铜在阴极上沉积：,Cu2+2e Cu,以铜的电解精炼为例,电解精炼,阳极被精炼的铜中所含有的比铜电极电位高的稀贵金属和杂质将以粒子形式落入电解槽底部或附于阳极形成阳极泥，比铜电极电位低的杂质元素以离子形态留在电解液中。 生产中，金、银、铜、钴和镍等金属大都采用这种电解方法进行精炼。,第二章 金属材料冶炼和提取,铝、镁、钠等活泼金属无法在水溶液中电解，必须选用具有高电导
18、率和低熔点的熔盐（通常为几种卤化物的混合物）作为电解质在熔盐中进行电解。,熔盐电解,通常用碳作为阳极,熔盐电解时，阴极反应是金属离子的还原：,Mnne ,电解MgCl2时，阳极的反应如下：,Cl Cl22e,第二章 金属材料冶炼和提取,2.2 钢铁材料的制备,钢铁冶炼包括从开采铁矿石到使之变成可供加工制造零件所使用的钢材和铸造生铁为止的全过程,第二章 金属材料冶炼和提取,生铁的冶炼,从矿石中提取铁的过程称为炼铁，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。炉料（铁矿石、燃料和溶剂）在炉内经过一系列物理化学反应后，所得的产物除生铁外还有炉渣和煤气。生铁用来进行炼钢
19、或浇铸成件，炉渣经过处理可以用作其他工业的原料，煤气则可以作为燃料用于高炉本身或其他部门。,第二章 金属材料冶炼和提取,高炉炼铁过程示意图 -料车-上料斜桥-高炉-铁渣口-风口-热风炉-重力除尘器-文氏管-洗涤塔-烟囱,第二章 金属材料冶炼和提取,铁矿物的类型,铁矿石是由一种或几种含铁矿物和脉石组成的。含铁矿物是具有一定化学成分和结晶构造的化合物，脉石是由各种矿物如石英、长石等组成并以化合物形态存在的。所以，铁矿石实际上是由各种化合物所组成的机械混合物。,高炉原料,高炉原料,熔剂的作用主要是降低脉石的熔点，使脉石和燃料中的灰分及其他一些熔点很高的化合物(如SiO2的熔点为1625，Al2O3熔
20、点为2050)生成低熔点的化合物，造成比重小于铁的熔渣而与铁相分离。此外，加入溶剂造渣还具有去硫的作用，即利用硫易与钙相结合的特性，生成硫化钙进入渣中，从而将杂质硫去除。熔剂的种类根据熔剂的性质可分为碱性熔剂和酸性熔剂。采用哪一种熔剂要根据矿石中脉石和燃料中灰分的性质来决定，由于铁矿石中的脉石大多数为酸性，焦炭的灰分也都是酸性的，所以通常都使用碱性熔剂。最常用的碱性熔剂就是石灰石。,第二章 金属材料冶炼和提取,高炉原料,燃料 高炉冶炼主要是依靠燃料的燃烧获得热量进行熔炼，同时燃料在燃烧过程中还起着还原剂的作用。 常用的燃料主要是焦炭。焦炭是把炼焦用煤粉或几种煤粉的混合物装在炼焦炉内，隔绝空气加
21、热到10001100，干馏后得到的多孔块状产物。它的优点是强度大，发热量高及价廉，缺点是灰分较多(冶金焦中含灰分7-15，一般焦炭灰分大于20)，杂质硫、磷的含量较多。,第二章 金属材料冶炼和提取,高炉剖面图 1-料钟和料斗-废气-焦炭、矿石和石灰石-螺旋冷却管-环风管-炉渣流槽-炉缸-出铁口,高炉生产过程,进入高炉的有铁矿石、焦炭、溶剂等原料。热空气经环风管吹入高炉。焦炭既是燃料又是还原剂，有少部分与铁化合。石灰石与脉石反应生成炉渣，并与矿石中的硫反应生成硫化铁并带入渣内。,第二章 金属材料冶炼和提取,高炉内的温度分布 -预热带-还原带-增碳带 -风口轴心-熔化带,炉料由高炉顶部加入，炉顶温
22、度大约200。在此温度下，由焦炭燃烧生成的一氧化碳上升气流与下降的炉料开始反应，矿石的部分铁被还原，同时部分一氧化碳生成二氧化碳及粉状或烟状游离碳。部分游离碳进入矿石孔中，约在炉身中部，碳将炉内残存的氧化亚铁还原成铁，其余的碳被铁溶解，使铁的熔点降低，铁矿石中的铁转变为海绵铁。在高温下石灰石发生分解，生成的氧化钙与酸性脉石形成炉渣。,第二章 金属材料冶炼和提取,被还原的矿石逐渐降落，温度和CO的浓度不断升高，炉内反应加速，将全部转化为铁和氧化亚铁。在风门区，残余的氧化亚铁还原成铁，熔融的铁和炉渣缓缓进入炉缸。此时，较轻而又难熔的炉渣浮向熔体的上层，铁液和炉渣可分别排出。得到的生铁可浇铸成锭或直
23、接炼钢。,高炉剖面图 1-料钟和料斗-废气-焦炭、矿石和石灰石-螺旋冷却管-环风管-炉渣流槽-炉缸-出铁口,高炉冶炼的理化过程,(1)燃料的燃烧 当红热的焦炭从上而下地落到风口附近时，与风口吹入的热空气发生以下氧化反应进行燃烧，产生16001750的高温： CO2CO2（放热） 气体上升遇到赤热的焦炭被还原成CO： CO2C2CO(吸热) CO的热气体上升与矿石接触发生还原反应。,第二章 金属材料冶炼和提取,高炉产品,（）生铁。生铁是由Fe和C、Si、Mn、P、S等元素组成的合金，有以下几种。,铸造生铁:特点是含硅较多，其中的碳以游离的石墨形式存在，断面呈灰色，故又称灰口生铁，它是铸造车间生产
24、各种铸铁的原料。 炼钢生铁:碳以化合物Fe3C的形式存在，断面呈银白色，故又称白口生铁，它是炼钢的原料。 特种生铁:包括高锰、高硅生铁，在炼钢时作为脱氧剂或作为炼制合金钢时的附加材料。,第二章 金属材料冶炼和提取,(2)高炉煤气。在高炉煤气中含有CO、CO2、CH4、H2、N2 等，可作为工业上的燃料，经除尘后可用来加热热风炉、炼焦炉、平炉和满足日常生活需要。 (3)炉渣。炉渣可用来制造水泥、造砖或铺路。,高炉产品,生铁含有较多的碳和硫、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形加工，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
25、到钢的标准。,钢的冶炼,元素的氧化: 炼钢的主要途径是向液体金属供氧，使多余的碳和杂质元素被氧化去除。炼钢过程可以直接向高温金属熔池吹入工业纯氧，也可以利用氧化性炉气和铁矿石供氧。 氧进入金属熔液后首先和铁发生氧化反应：,炼钢的基本过程,然后（FeO）再和金属中的其他元素发生氧化反应：,当上述杂质元素和氧直接接触时，也将发生直接的氧化反应：,上述氧化反应的产物不熔于金属，而上浮进入熔渣或炉气,造渣脱磷和脱硫： 在采用碱性氧化法炼钢时，可通过加入石灰石造渣的方法去除磷和硫这两种元素：,熔渣中的碱性越高，脱硫和脱磷的效果越好。,脱氧及合金化：随着金属液中碳和其他杂质元素的氧化，钢液中溶解的氧（以F
26、eO形式存在）相应增多，致使钢中氧夹杂含量升高，钢的质量下降，而且还有碍于钢液的合金化及成分控制。因此，冶炼后期应对钢液进行脱氧处理，通常加入硅铁、铝或镁等易氧化元素来完成。钢液脱氧后可以向钢液中加入需要的各种合金元素，进行合金化处理，以将钢液调整到规格要求的成分，最后浇铸成锭坯。,2.3 几种有色金属的制备,铝及铝合金的制备,铜及铜合金的制备,镁及镁合金的制备,第二章 金属材料冶炼和提取,铝及铝合金的制备,铝及铝合金的制备,铝在自然界中以氧化铝(Al2O3)形态存在，分布广、储量大(约占地壳总重的7.65)。铝与氧的亲和力很强，难以直接还原，故长期以来铝的价格极高。当发现用电解法可以从氧化铝
27、中提炼出铝后，铝的价格大约降低了20倍。氧化铝主要存在于铝矾土(Al2O3含量47-65)、高岭石(Al2O3含量39左右)和矾土岩石(Al2O3含量40-60)中。其中，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。,第二章 金属材料冶炼和提取,氧化铝的制备,1.湿碱法(拜尔法)将矿石磨细，在160-170，0.3-0.4MPa的高压釜内和氢氧化钠溶液反应生成铝酸钠溶液，铝酸钠与水则生成氢氧化铝：,将氢氧化铝在950-1000煅烧，即得Al2O3：,2Al(OH)3 Al2O3+3H2O,Al2O3+2NaOH 2NaAlO2+H2O NaAl
28、O2+2H2O Al(OH)3+NaOH,铝及铝合金的制备,第二章 金属材料冶炼和提取,2.干碱法（碱石灰烧结法）,烧结法生产氧化铝的实质，是将铝矿粉、石灰石和纯碱按比例混匀加热至1100，发生下列化学反应：,将熔融烧结的产物磨细后与稀NaOH溶液反应：,生成的NaAlO2进入溶液，而Fe2O3Na2O生成Fe(OH)3 沉淀，SiO2CaO本身经过滤得铝酸钠溶液。向过滤液内通入CO2，即得Al(OH)3：,将Al(OH)3 经过滤、清洗和煅烧后可得Al2O3。,铝及铝合金的制备,第二章 金属材料冶炼和提取,氧化铝的电解,从氧化铝中提取金属铝是通过熔盐电解法来实现的，用氟化铝、冰晶石(Na3A
29、lF6) 或其他氟化盐作为电解质，将其放入有碳素阳极和阴极所组成的电解槽中，然后通入直流电，使电解质发生一系列物理化学变化，结果在阴极得到液体铝，在阳极得到氧，它使碳阳极氧化而析出。,铝及铝合金的制备,第二章 金属材料冶炼和提取,铝的熔点为660，而Al2O3的熔点达2000以上。为了获得金属铝并节省能源，可将Al2O3 置于电解液中，在电解液中 Al2O3的熔点可降低至900左右。电解过程中， Al2O3在900左右离解为Al3+和Al33-离子，在电流作用下Al3+移向阴极， Al33- 离子移向阳极。其电解反应为,电解出的铝呈液态沉积于电解槽底部，可定期放出。电解的一次产品铝含量为99.
30、7，还含有少量的铁、硫等杂质，工业上通常还需要进一步通过精炼提纯后浇注成锭。,铝及铝合金的制备,纯铝的导电性好、塑性好，但机械性能差，除直接用作导电材料外，一般不用作结构材料。要求具有较好机械性能的各种铝合金，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。,第二章 金属材料冶炼和提取,铝合金的制备,铝及铝合金的制备,所谓变形铝合金是指这类合金大都是经过热态或冷态的压力加工，即经过轧制、挤压等工序制成板材、管材、棒材以及各种异型材使用。对这类合金要求具有相当高的塑性。 铸造铝合金则是将液体金属铝直接浇注在铸
31、型内制成各种形状复杂的零件。对这类合金则应要求它具有良好的铸造性，即良好的流动性，小的收缩性及高的抗热裂性等。,第二章 金属材料冶炼和提取,铝及铝合金的制备,(1)熔化时间长。,第二章 金属材料冶炼和提取,1.铝合金的熔炼特点,铝的熔点虽低，但溶化潜热大，比热大，黑度小，对热的反射强。与其他常用金属如铁、铜相比较，熔化时消耗热量多。因而熔化速度慢，熔化时间长。,铝对氧有很大的亲和力，它能很快氧化，生成Al2O3；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，氧气进入融体，便很难除去。因此，尽可能减少氧化是铝及铝合金熔炼过程中的一个重要问题。,(2)易氧化。,(3)易吸气。,(4)
32、容易吸收各种杂质。,铝及铝合金的制备,铝及铝合金的吸气能力较强（主要是吸氢的能力），特别是在有水蒸气或还原性气氛的炉气下，铝及铝合金的吸氢绝对量虽然不大，但在熔点时，氢在固相和液相中的溶解度相差很大，使铸锭结晶时形成气孔和疏松的倾向性很大。因此，尽可能减少吸氢是铝及铝合金熔炼的又一个重要问题。,第二章 金属材料冶炼和提取,(3)易吸气。,(1)熔化时间长。,(2)易氧化。,铝及铝合金中的一些合金化元素具有很高的化学活性，它们不仅能直接吸收从铁坩埚和工具中溶解的铁，而且还能从炉衬的许多氧化物和熔剂的许多氯盐中置换出铁、硅、锌等金属杂质。这些金属杂质一旦进入铝熔体，便无法清除，而且熔炼次数越多，杂
33、质含量越高，对合金性能影响越大，因此防止金属杂质的污染是铝及铝合金熔炼时的第三个重要问题。,(4)容易吸收各种杂质。,铝及铝合金的制备,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。因为铝液在高温下极易吸气和氧化，所以熔炼的关键是除气和除渣，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。,铝合金的熔制工艺,铝及铝合金的制备,(1)配料及熔化。配料应根据所要求的合金成分和元素烧损率计算各种材料的加入配比，因此必须准确地掌握原料的化学成分，按工艺要求的顺序加入炉料和升温熔炼。为防止过分吸气，加热温度一般不超过750，并尽可能快速熔化和
34、浇注。,铝及铝合金的制备,(2)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。,铝及铝合金的制备,吹气精炼是指通过向铝熔体直接吹入氩气或氮气等，使之与铝熔体中的气体和非金属夹杂物发生吸附作用，并在气泡上浮过程中将其带出液面，从而达到除气、除渣的目的。 吹气精炼的温度一般选择为710730，吹气压力一般控制在0.10.2大气压，吹气时间一般控制在1030min，精炼后的静置时间一般为1530min。,铝及铝合金的制备,氯盐精炼主要是利用氯盐与铝熔体的置换反应以及氯盐本身的挥发作用和热离解作用。最常用的是氯化锌、四氯化碳和六氯乙烷，与铝作用时生成的三氯化铝
35、气体自铝液底部向上浮起的过程中起着和惰性气体精炼时相似的除气、除渣作用。 其工艺要点是精炼温度700720，加入量23Kg/t，精炼后将熔体静置510min。,铝及铝合金的制备,(3)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。常用的变质剂为氟化钠、氯化钠、氯化镁等组成的复合钠盐。 变质温度一般为720730，以钟罩搅拌法压入铝液。,铝及铝合金的制备,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形式存在于各种共生矿石中。 铜矿石中的含铜量一般为0.4%5%。根据矿石的类型不同，从铜矿中提取铜有火法冶金和湿法冶金两
36、种方法。 火法冶金主要用于硫化铜矿的冶炼，湿法冶金主要用于处理氧化铜矿。 无论采用何种冶炼方法，冶炼前都必须对原矿进行浮选富集。富选后的铜精矿一般含铜2030%，含铁3035%，含硫3035%，含二氧化硅1015%，此外，还含有少量锑、铋、硒、碲、锗、锰、金和银等稀有和贵重金属。通过冶炼即能实现除硫、铁和各种金属的分离与回收。,铜及铜合金的制备,铜及铜合金的制备,铜精矿的火法冶金,1.冰铜的形成在炼铜炉的高温条件下，精铜矿中的高价硫化物将分解成简单硫化物。反应产生的硫蒸气在炉气系统中燃烧生成SO2随烟气外排，Cu2S、FeS和其他金属硫化物则混合在一起形成冰铜。一些金属氧化物和脉石结合成炉渣，
37、从而实现金属硫化物和脉石的分离。,铜精矿一般含有Cu、Fe、S元素及脉石（成分：SiO2、CaO、MgO及Al2O3）还有一定量的对炼铜不利的Zn、Pb、As等元素。部分铜精矿中还含有Au、Ag等希贵金属元素。,由铜精矿熔炼生成冰铜：把铜精矿和按一定比例配入的熔剂和产热物质（焦炭、富氧热风、重油等），按一定顺序或速率加入熔炼炉（鼓风炉、反射炉、侧吹炉、底吹炉、闪速炉等）内。在高温、强氧化性气氛下，进行半自热或自热熔炼，将硫化铜精矿熔化生成MeS(金属硫化物)的共熔体，即造锍熔炼。,金属硫化物在熔炼过程中被氧化的难易程度，主要取决于该金属对氧和硫的亲和力。 由于在熔炼条件下，铜对硫的亲和力大于铁
38、对硫的亲和力，而铁对氧的亲和力大于铜对氧的亲和力，即铜的硫化物（Cu2S）比铁的硫化物（FeS）更稳定，铁的氧化物（FeO）比铜的氧化物（Cu2O）更稳定。所以将产生如下反应： Cu2O+ FeS= Cu2S+ FeO,反应可将精矿中的主要伴生硫化物铁的硫化物更多的氧化，并进入渣相中，而主金属铜的硫化物则不氧化或极少氧化，以稳定的低价硫化物（Cu2S）状态富集于冰铜中。冰铜和炉渣由于性质差别极大，可澄清分离，从而能提出冰铜进入吹炼流程，进而生成产出粗铜。,主要反应是硫化物（主要是FeS）的氧化，其氧化产物随即与炉料中的SiO2造渣。 此外，在SO2存在的条件下，入炉转炉渣中的Fe3O4和预备区
39、形成的Fe3O4成为FeS的固体氧化剂，,Fe3O4+ FeS+5SiO25(2FeOSiO2)+ SO2,2.冰铜的吹炼 是指向11501300的熔融冰铜中吹入压缩空气，并加入适量的石英熔剂，从而获得含铜98以上，并含有少量稀贵金属的粗铜的工艺过程。,3.粗铜的火法冶炼经吹炼得到的粗铜含有0.52%的氧、硫等杂质元素，此外，还含有金、银、铀等稀贵金属。因此，必须对粗铜进行精炼。粗铜火法精炼与平炉炼钢相似，即用气体或液体燃料加热，使粗铜温度维持在11501170，再通入压缩空气，使杂质元素氧化成为金属氧化物进入炉渣。精炼后铜含量可达9999.5%。,4.铜的电解将火法精炼制得的铜板作为阳极，以
40、电解产出的薄铜片作为阴极，置两极于充满电解液的电解槽中。在两极间通以低电压大电流的直流电，在铜阳极发生电化学溶解，纯铜在阴极上沉积，稀贵金属则进入阳极泥中，杂质元素一部分进入阳极泥，大部分以离子形态保留于电解液中，从而实现铜与杂质及稀贵金属的分离。,铜的湿法冶金,湿法炼铜主要由下面两个基本过程组成：一是在溶剂作用下使矿石中的铜溶解进入溶液中，二是用置换、电沉积或氢还原等方法将溶液中的铜分离出来。湿法炼铜以前主要用于处理不适合用火法冶炼的低品位氧化铜矿、废矿堆和浮选尾矿。近年来，为消除火法冶炼硫化铜对环境的危害，正在积极从湿法冶金中寻求处理硫化铜矿的新途径。,作为工程结构材料，工业上常用的是铜合
41、金，主要有青铜和黄铜两大类。青铜的主要合金元素是锡，而黄铜的主要合金元素是锌。 由于铜的熔点较高，所以不能用普通的电阻加热炉熔炼，通常采用感应电炉或火焰炉熔炼。熔炼中要注意的是铜合金的脱氧和除氢。,铜合金的制备,熔炼中要注意的是铜合金的脱氧和除氢，氧是影响铜各种性能的重要杂质元素，在大多数情况下，铜中的氧主要是以氧化亚铜(Cu2O)形式分布在晶粒边界上的，所以将会降低铜的塑性，使铜难以进行冷加工，且可以引起铜的“氧脆”。,氢是铜中最常见、危害最大的气体。原子状态的氢可大量溶于铜液中，体积可占金属自身体积的27%在真空条件下，感应熔炼能得到氢、氧含量很低的铜。但是，由于真空熔炼投资大，工艺繁杂，
42、而且产量有限，所以工业生产仍采用非真空感应熔炼的方法，只要采用合适的净化工艺，也可以得到氢、氧含量较低的铜合金。,1.脱氧,目前应用得较为广泛的方法是脱氧剂法。把脱氧剂加到熔池表面，脱氧反应主要在熔池的表面进行。 如用作覆盖剂的燃烧木炭，就是一种典型的扩散脱氧剂。木炭中的碳及其所产生的一氧化碳等气体，在高温下对铜液有脱氧作用： Cu2OC2CuCO Cu2OCO2CuCO2 生成的二氧化碳气从熔体中逸出，还原出来的铜留在铜液中。,.除氢,（）惰性气体法。主要使用的是氮气和氩气，它们既不溶于铜液，也不与铜液发生化学反应。,当大量的气泡通过熔体时，随着气泡的上浮及对熔体的搅动作用，原来溶于熔体中的
43、氢跟着上浮至液面。基于氢气在气泡内外的压力差，溶于熔体中的氢不断向气泡中扩散，并随着气泡的上升和逸出而排出到大气中，达到除气目的。通过吹氮处理铜液，不仅可以除去熔体中的氢，而且有助于熔体中其他夹杂物的上浮。气泡越小，数量越多，越有利于除氢。但是，由于气泡上浮的速度大，通过熔体的时间短，且气泡不可能均匀分布于整个熔体中，因此除氢不彻底，且随着熔体中含氢量的减少，除气效果降低。,（）氧化法,溶于铜液中的氢和氧，在一定条件下可能进行下列可逆反应： 2H2+O22H2O 随着所生成的水蒸气的逸出，反应向右进行，降低了铜液中的氢。可利用这一原理有意识地使铜液中的含氧量增加，以降低氢的含量。,氧化方法是将
44、压缩空气吹入铜液中使大量的铜被氧化： 4CuO2 2Cu2O 生成的氧化亚铜溶于铜液中并与铜液中的氢发生反应： H2Cu2O2CuH2O（水蒸气）,结果，铜被还原，水蒸气从熔体中逸出。当上述两个反应能够连续不断地进行时，铜液中的氢逐渐减少。经氧化处理过的铜液，出炉前应该对其进行脱氧处理，以除去铜液中多余的氧化亚铜。,镁及镁合金的制备,地壳中分布最广的化学元素含量,镁的化学活性很高，在自然界中只能以化合物形式存在，主要存在于白云石、菱镁矿、光卤石矿、橄榄石矿、蛇纹石、盐矿、地下卤水以及盐湖和海水中，在海水中的含量约为0.13%。,我国是镁矿资源非常丰富的国家，不仅分布广、品种多且储量大。我国镁矿
45、得到开发利用的有菱镁矿、白云石和青海察尔汗盐湖钾镁盐矿。菱镁矿主要分布在辽宁、山东，总储量达31.45亿吨。白云石矿分布于全国各地，辽宁、河北、山西、内蒙、湖北、四川等省均有大型优质白云石矿。,镁的生产方法,热还原法,氯化熔盐电解法,1.电解法,氯化熔盐电解法包括氯化镁的生产及电解制镁两大过程。该方法又可分为以菱镁矿为原料的无水氯化镁电解法和以海水为原料制取无水氯化镁的电解法。 电解法生产镁的工艺很多，但基本原理相同，其中最有代表性的有DOW工艺、I.G. Farben工艺、Magnola工艺等。,氯化熔盐电解法,Dow工艺1916年在Michighn的Midland首次得到应用。当时所用的制
46、备MgCl2的方法是将海水与锻烧白云石一起制成泥浆，与盐酸反应，生成氯化镁溶液，将其浓缩并干燥处理后生成MgCl23/2H2O。这种原料直接加入到电解槽内进行，副产物氯气可以回收利用。,氯化熔盐电解法,1941年道屋（Dow）化学公司在塔克赛斯自由港建立了一个工厂从海水中提取镁的电解原料。海水由引水槽引入，滤过淤泥后导入沉淀池，与石灰混合，过滤后与20%HCl反应生成MgCl2，蒸发后得到固体氯化镁，然后经干燥炉干燥得到低水合氯化镁（MgCl21.5H2O），成为Dow工艺电解制镁的原料。,氯化熔盐电解法,I.G. Farben工艺,I.G. Farben工艺在20世纪初期由德国I.G. Fa
47、rben工业公司首先使用，欧洲主要镁生产商海德鲁公司（Norsk Hydro）也曾经使用过这种工艺。在该工艺中，将氢氧化镁与焦炭均匀混合在一起后放在竖炉内煅烧，然后进行氯化处理，生成电解用原料无水MgCl2，通过电解法得到镁，电解副产物Cl2可以回收利用。,MgCO3MgO+CO2 3MgO+2C+3Cl2 3MgCl2+CO+CO2,氯化熔盐电解法,热还原法,根据还原剂不同，又分为硅热法、碳化物热还原法和炭热法，其中后两种在工业上较少采用。硅热法又分为外热法和内热法。采用硅铁还原氧化镁生产金属镁的工艺有：Pidgeon工艺和Magnthern工艺。,1941年加拿大科学家皮江（L.M.Pidgeon）教授发明了一种硅热还原炼镁工艺，称为Pidgeon工艺。 该工艺将煅烧后的白云石和硅铁按一定配比磨成细粉，压成团块，装在由耐热合金制成的蒸馏器内，在11501200及1020MPa压强下还原得到镁蒸气，冷凝结晶成镁，再熔成镁锭。该工艺投资少、产品质量高，但不能连续生产、成本比电解法的高。 加拿大、中国和印度均建有采用Pidgeon工艺生产镁的工厂。,热还原法,2(CaOMgO)s+Si(Fe)s=Fe(Si)+2CaOSiO2+2Mg(g),
