其他工程材料

第五章其他工程材料粉末冶金材料以各种金属粉末为原料，通过粉末成形、烧结和必要的后续处理制取的。烧结是将粉末压坯在低于其主成分熔点温度下加热、保温，压坯件由颗粒聚集体变为晶体结合体，并使压坯晶粒发生回复和再结晶，最后压坯收缩，密度增加，强度、硬度显著提高。具体工艺第一步：制取金属粉末、合金粉末以及包覆粉末；第二步：将原料粉末成形、烧结及烧结后处理制得成品。成形前要进行物料准备，包括：粉末的预处理(如粉末加工，粉末退火)、分级、混合、干燥等。成形的目的：制得一定形状、尺寸、密度和强度的压坯。成形方法：分加压成形和无压成形两类。加压成形中用得最普遍的是模压成形，简称压制。其他加压成形方法有等静压成形、粉末轧制、粉末挤压等。粉浆浇注是一种无压成形。1000吨液压成形机烧结为粉末冶金的关键工序压坯通过烧结可得到所要求的物理机械性能。烧结分单元系烧结和多元系烧结。不论单元系或多元系的固相烧结，其烧结温度都比所含金属与合金的熔点低；而多元系液相烧结，其烧结温度低于其中难熔成分的熔点，高于易熔成分的熔点。一般来说，烧结是在保护气氛下进行的。烧结后的处理，根据产品不同要求，有精整、浸油、机加工、热处理(淬火、回火和化学热处理)和电镀等。保护气氛烧结炉感应烧结炉粉末冶金窑炉特点一、经济：适合大量生产，且可减少制作程序二、精密：产品精密度极高亦可做表面特殊处理。三、强度：利用合金调配可制成所需之高强度合金。四、润滑：利用毛细孔储油原理，可生产润滑性极高之产品。五、效率：生产速度快，多样化且复杂化之产品可一次完成。分类粉末冶金产品粉末冶金产品——含油轴承粉末冶金产品粉末冶金产品粉末冶金产品粉末冶金产品粉末冶金产品——多孔过滤片粉末冶金模高分子材料常用高分子材料有：塑料、合成橡胶和有机胶粘剂。高分子材料缺点：强度、硬度较低，热性能差，工作温度低，室温时也会发生蠕变，容易老化。目前通过改性和增强的方法提高或改善高分子材料的许多性能，扩大应用范围。如：耐高温塑料和具有导电、导磁和感光作用的特种塑料均已获得实际应用。塑料的分类——按用途分类塑料的分类——按受热的性质分类塑料的组成塑料由合成树脂和添加剂组成。合成树脂是塑料的基本组成，树脂性能基本上决定了塑料性能。添加剂是为了改善塑料的成型工艺性及使用性能，可根据需要加入某些材料，如填料、固化剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料、阻燃剂、脱模剂等。塑料的基本性能——力学性能1）强度：绝对强度比金属低得多，但密度与强度之比（比强度）接近于或甚至超过金属材料。2）硬度：比金属低得多，是常用工程材料中硬度最低材料之一。3）摩擦系数：塑料的摩擦系数一般较小，耐磨和自润滑性好。4）蠕变：大多数塑料在室温下即会产生蠕变。塑料的基本性能——成型工艺性能与金属相比，塑料的成型工艺性优良，可以注入、压制、挤出、吹塑、真空吸塑等方法成型。尤其是热塑性塑料可以一次成型获得形状复杂并具有一定尺寸精度的塑料制品，可直接使用。常用热塑性塑料聚丙烯（PP）：塑料中密度最小的一种，为0.9g/cm3；电绝缘性好；除浓硫酸、浓硝酸外，能耐各种腐蚀介质和溶剂；耐热性好，可在略高于100℃的情况下使用；力学性能较高，弯曲疲劳强度特别高，俗称“百折塑料”。收缩率较大，耐磨性较差，易低温脆化。常用热塑性塑料聚酰胺（PA）：俗称“尼龙”。耐磨、强韧、质轻、耐溶剂、耐油、耐冷热；易成型、自润性好，特别是常温下抗拉强度、疲劳强度高，摩擦系数小；是最广泛使用的工程塑料之一。常用热塑性塑料丙烯睛-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）：ABS在树脂连续相中分布着橡胶相。丙烯腈使ABS具有足够的硬度、耐蚀性和耐热性；丁二烯使ABS具有高抗拉强度、韧性和低温回弹性（橡胶相）苯乙烯使ABS具有良好的成型加工性、刚性和着色性，制品表面光泽度好。ABS加入不同填加剂，可制成通用级、冲击级、高冲击级、阻燃级、电镀级的ABS塑料，供不同场合使用。ABS不透明，可进行着色、电镀、真空镀膜处理。常用热固性塑料1）酚醛塑料（PF）：俗称电木，是以酚醛树脂为基，按不同用途加入各种有机或无机填料及添加剂而得，通过对粉状树脂热压模制或将纤维状或粒状树脂注射成型得到制品。2）环氧塑料：有固态、液态两种。以固态使用时力学性能较好，收缩小，尺寸稳定性好，耐热、耐水，一般以层压方式使用。以液态使用时，多用作胶粘剂和涂料等。合成橡胶橡胶的特性与分类橡胶是在高弹态使用的高分子材料。橡胶的高弹性源于其高分子结构。根据用途，橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶两类。特种橡胶在特殊环境下使用，如硅橡胶具有突出的耐热性，常用作耐高温制品，氟橡胶既具有优良耐热性，又具有优良的耐蚀性，能耐浓有机酸，可同时作耐高温和耐蚀制品。根据生产来源，可分为天然和合成橡胶。常用橡胶（1）天然橡胶：是橡胶树中流出的胶乳凝固干燥后，加压制成生胶，再经硫化处理得到的。弹性模量：3～6MPa，延伸率为100～1000％；耐磨性、电性能和耐碱性好，但耐油和耐氧化性差，使用温度约-76～110℃。综合性能好。（2）丁苯橡胶：由丁二烯与苯乙烯共聚而成。耐磨性、耐热性好，价格低廉，缺点是强度低，粘接难，成型性不好。（3）氯丁橡胶：氯丁橡胶是由氯丁二烯聚合而成的高弹体。耐油、耐溶剂、耐候、耐蚀、耐热和耐燃性均好于天然橡胶，缺点是耐低温性差，密度较大。（4）顺丁橡胶：弹性、耐磨性、耐候性均较天然橡胶好，耐磨性比丁苯橡胶高20％以上；缺点是抗裂性和加工性能差。多用于制造胶带、绝缘制品等。合成胶粘剂可用于粘接相同或不同材料和零件。可胶接金属、陶瓷、塑料、橡胶、木材、纤维织物等。特点：适应性广，材料厚薄不限，密封性好，绝缘性好，耐蚀性强，结构重量轻，操作工艺简便等。按生产方法分，胶粘剂有天然和人工合成的两种；按化学结构特点分，有无机胶粘剂和有机胶粘剂两种。陶瓷材料无机非金属材料。熔点、硬度和化学稳定性很高，耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘性好。广泛用于制造日常生活制品和一般电工、化工及机械元件。成为继金属材料、高分子材料后第三种独立的固体材料品种，应用日益广泛。按原料来源不同，陶瓷分为普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷的分类按应用范围分为建筑陶瓷、日用陶瓷、化工陶瓷、电工陶瓷和多孔陶瓷。普通陶瓷是采用天然硅酸盐材料经过成型加工和高温烧结而成的，杂质较多，制品的物理和力学性能较低。特种陶瓷的分类（1）按陶瓷的性能分为高强度、高温、耐磨、耐酸和功能陶瓷。（2）按陶瓷的化学成分分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、复合陶瓷、纤维增强陶瓷和金属陶瓷。陶瓷的性能特点1．陶瓷的物理性能和化学性能①熔点高，高温强度大，高温蠕变小，热膨胀系数小，热容量小，热导率低。②陶瓷的电阻率大，介电常数和介电损耗小。③陶瓷结构稳定，耐高温氧化，耐各种酸、盐的腐蚀。2．陶瓷的力学性能高硬度、高弹性模量、高脆性、低抗拉强度和高抗压强度。陶瓷改性通过调整或改变陶瓷配料及生产工艺，可以使陶瓷获得所要求的性能。如:加入某些导电物质，可改变陶瓷的导电性，使陶瓷既可作为绝缘材料，也可作为半导体、压电或多空过滤材料；有些陶瓷在生物体内无排斥性，可用于人体器官的替换移植；有些陶瓷还可以复合强化，制成陶瓷基纤维强化复合材料，用于国防及尖端工业。常用特种陶瓷材料（1）氧化铝陶瓷：这种陶瓷中的主要成分Al2O3在45%以上，当Al2O3含量为90％以上时，称为刚玉瓷。Al2O3含量越高，耐高温、耐蚀性和电性能就越好，强度也增加。刚玉瓷中玻璃相很少，综合性能最好。常用于坩埚、热电偶套管、发动机火花塞、轴承、化工用泵、阀门和管道。（2）其它氧化物陶瓷主要有氧化锆陶瓷、氧化铍陶瓷、氧化镁陶瓷。三种陶瓷的熔点均明显高于氧化铝陶瓷。（3）碳化物陶瓷：常用碳化硅陶瓷，制造熔融金属输送管道、高温轴承、砂轮磨粒、火箭尾喷管喷嘴。常用特种陶瓷材料（4）氮化物陶瓷常用氮化硼陶瓷和氮化硅陶瓷。氮化硼陶瓷：又称“白石墨”，硬度低，自润滑性好，耐热性和热稳定性好，可抵抗金属熔融。用于高温轴承、坩埚、半导体散热件、绝缘材料、高温容器及管道。当氮化硼陶瓷内部晶格在高温、高压下转化为立方晶格时，称为立方氮化硼，硬度很高，可用作切削刀具。氮化硅陶瓷：优良的电绝缘性；耐酸、碱和耐熔融金属；硬度高、耐热性好，可在1200℃使用，用于制造高温轴承、热电偶套管、叶轮、熔融金属输送管道和阀门、在腐蚀介质中工作的泵和阀；可制成切削刀具，切削钢材甚至硬质合金。复合材料概念：是由两种或两种以上不同物质经人工组成的兼有各组成物优良性能的新型工程材料。一般由基体和增强材料两部分组成。发展复合材料的主要目的：1）增强或补强：提高力学性能和耐热性等物理力学性能。2）增量：填充物加入合成材料，起到增量和降低成本的效果。3）赋予特殊性能：加入某些组分，赋予材料某种性能，如导电性、导磁性、难燃性等。4）提高尺寸稳定性：通过加入的组分，使尺寸稳定性提高。复合材料的分类1.按基体类型分金属基、高分子基、陶瓷基复合材料。2.按增强材料种类分纤维增强、颗粒增强复合材料。3.有混合增强材料和层状复合材料。复合材料的性能1.较高的比强度和比模量如碳纤维增强热固性塑料的抗拉强度与普通碳素钢差不多，但由于比重较小，故比强度是钢的5～8倍，比模量是钢的1～5倍。2.较高的疲劳强度和断裂安全性3.良好的减振性4.良好的高温力学性能5.可以构造性能功能材料是能对光、电、热、磁、气体、射线、辐射、力学介质具有接收、存储、转换、传递和显示等功能的新型材料。按工作介质不同可分为：机械功能材料、电子功能材料、热学功能材料、磁性功能材料、光学功能材料、生化功能材料、其它功能材料等。机械功能材料1．弹性合金较高的弹性极限、疲劳强度和较低的弹性模量。常用高弹性合金有：镍基或钴基合金，不锈钢3Cr13、4Cr13、1Cr18Ni9Ti,铜合金H62、H68、QBe1.7等。2.超塑性合金是指某些合金当施加应力超过其弹性极限时，材料会有极大的延展性(总的延伸率达400%以上)，而不会断裂。超塑性通常是采用晶粒超细化(晶粒直径达10μm)得到的。常用超塑性合金有Zn-Al合金、Pb-Sn合金。某一成分的Zn-Al合金经375℃水韧处理后,总延伸率达630%。如果控制适当的变形温度和变形速率，合金的延伸率甚至可达2500%以上。这类材料主要用于宇航器上。电子功能材料1.电阻材料电阻材料要求具有稳定、尽量高的电阻值，良好的耐蚀性，较小的电阻温度系数以及良好的加工性和焊接性。2.高温超导材料高温超导材料的实用化应使其在尽可能高的温度下无功耗地传输高密度大电流。目前较领先的超导材料是钇钡铜氧化物覆在有氧化锆涂层地镍带上，其电流密度可达到10000A/mm2,为普通铜材料的1000倍以上。超导材料应用范围极广，经济效益很高。若用超导材料输送大电流，可完全消除目前10％的功耗，用于磁流体发电机、磁悬浮列车，也有显著效益。热学功能材料1．高温、低温结构功能材料镍基、钴基合金，钼、钨、铌合金常用作高温结构材料。陶瓷基材料也是常用的高温结构材料。超低温材料是保存液氦、液氢、液氧的功能材料。由于在-100℃超低温下，一般钢和高强度钢会产生低温脆性，因此需要用超低温材料。2.形状记忆合金合金在某种条件下产生变形后再加热，会自动回复至原始形状。记忆功能是通过热弹性马氏体与母相的相互转化实现的。热弹性马氏体的相变温度可以通过调整合金成分而变动，使合金能在某一温度范围内呈显最佳的记忆效应。目前研究最多，并具有实用价值的是Ti-Ni合金和铜基记忆合金。磁性功能材料分类：软磁性材料和永磁性材料等。软磁性材料易于磁化和去磁，磁滞损失小。永磁性材料难以磁化和去磁，矫顽力大，磁滞损失大。纯铁和硅钢：是电工行业大量使用的磁性材料。纯铁：有高导磁率和电导率，但反复磁化会增大涡流损失。在直流电气中大量应用，在交流电器等易产生铁损的场合不宜采用。硅钢：纯铁中加入0.8%～4.8%的硅可增加导磁率。硅是缩小奥