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                                  新型陶瓷材料分类 TIME: 2019-03-12
                                      主要分为两类:一类是纯氧化物陶瓷,如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO、BeO、ThO2等;另一类是非氧化物系陶瓷,如碳化物、硼化物、氮化物和硅化物等。  按性能与特征划分可分为:高温陶瓷、超硬质陶瓷、高韧陶瓷、半导体陶瓷。电解质陶瓷、磁性陶瓷、导电性陶瓷等。随着成分、结构和工艺的不断改进,新型陶瓷层出不穷。按其应用不同划分又可将它们分为工程结构陶瓷和功能陶瓷两类。  在工程结构上使用的陶瓷称为工程陶瓷,它主要在高温下使用,也?#32856;?#28201;结构陶瓷。这类陶瓷以氧化铝为主要原料,具有在高温下强度高、硬度大、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐烧蚀等优点,在空气中可以耐受1980℃的高温,是空间技术、军事技术、原子能、业及化工设备等领域中的重要材料。工程陶瓷有许多种类,但目前世界上研究最多,认为最有发展?#24052;?#30340;是氯化硅、碳化硅和增韧氧化物三类材料。   压电陶瓷是一种能将压力转变为电能的功能陶瓷,哪怕是像声波震动产生的微小的压力?#26448;?#22815;使它们发生形变,从而使陶瓷表面带电。用压电陶瓷柱代替普通火石制成的气体电子打火机,能够连续打火几万次。  透明陶瓷的主要成分有氧化镁、氧化钙、氟化钙等。透明陶瓷不但能透过光线,还具有很高的机械强度和硬度。透明陶瓷是一种很好的透明防弹材料,还可以用来制造车床上的高速切削刀、喷气发动机的零件等,甚至可以代替不锈钢。  氮化硅高强度陶瓷以强度高著称,可用于制造燃气轮机的燃烧器、叶片、?#26032;?#31561;。  精密陶瓷氨化硅代替金属制造发动机的耐热部件,能大幅度提高工件温度,从而提高热效率,降低燃料消耗,节约能源,减少发动机的体积和重量,而且又代替了如镍、铬、钠等重要金属材料,所以,被人们认为是对发动机的一场革命。氮化硅可用多?#22336;?#27861;制备,工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1600K?#20174;?#21518;获得:  3Si+2N2 =Si3N4(条件1600K)  也可用化学气相沉积法,使SiCl4和N2在H2气氛保护下?#20174;Γ?#20135;物Si3N4积在石墨基体上,形成一层致密的Si3N4层。此法得到的氮化硅纯度较高,其?#20174;?#22914;下:  SiCl4+2N2+6H2→Si3N4+12HCl  氮化硅、碳化硅等新型陶瓷还可用来制造发动机的叶片、切削刀具、机械密封件、轴?#23567;?#28779;箭喷嘴、炉子管道等,具有非常广泛的用途。  利用陶瓷对声、光、电、磁、热等物理性能所具有的特殊功能而制造的陶瓷材料称为功能陶瓷。功能陶瓷种类繁多,用途各异。例如,根据陶瓷电学性质的差异可制成导电陶瓷、半导体陶瓷、介电陶瓷、绝缘陶瓷等电子材料,用于制作电容器、电阻器、电子工业中的高温高频器件,变压器等形形色色的电子零件。利用陶瓷的光学性能可制造固体激光材料、光导纤维、光储存材料及各种陶瓷传感器。此外,陶瓷还用作压电材料、磁性材料、基底材料等。总之,新剂陶瓷材料几乎遍及现代科技的每一个领域,应?#20204;?#26223;十分广阔。 
                                      1:铸造性(可铸性):指金属材料能用铸造的方法获得合格铸件的性能。铸造性主要包括流动性,收缩?#38498;推?#26512;。流动性是指液态金属充满铸模的能力,收缩性是?#38050;?#20214;凝固?#20445;?#20307;积收缩的程度,偏析是指金属在冷却凝固过程中,因结晶先后差异而造成金属内部化学成分和组织的不均匀性。       2:可锻性:指金属材料在压力加工?#20445;?#33021;改变形状而不产生裂纹的性能。它包括在热态 或冷态下能够进行锤锻,轧制,拉伸,挤压等加工。可锻性的好坏主要与金属材料的化学成分有关。       3:切削加工性(可切削性,机?#23548;?#24037;性):指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件的难易程度。切削加工?#38498;?#22351;常用加工后工件的表面粗糙度,?#24066;?#30340;切削速度以及刀具的磨损程度来衡?#20426;?#23427;与金属材料的化学成分,力学性能,导热性及加工硬化程度等诸多因素有关。通常是用硬度和韧性作切削加工?#38498;?#22351;的大致判断。一般讲,金属材料的硬度愈高愈难切削,硬?#20154;?#19981;高,但韧性大,切削也较困难。       4:焊?#26377;裕?#21487;焊性):指金属材料?#38498;?#25509;加工的适应性能。主要是指在一定的焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的难易程度。它包括两个方面的内容:一是结合性能,即在一定的焊接工艺条件下,一定的金属形成焊接缺陷的敏?#34892;裕?#20108;是使用性能,即在一定的焊接工艺条件下,一定的金属焊接接头对使用要求的适用性。       5:热处理      (1)?#21644;?#28779;:指金属材料加热到适当的温度,保持一定的时间,然后缓慢冷却的热处理工艺。常见的退火工艺有:再结晶退火,去应力退火,球化退火,完全退火等。退火的目的:主要是降低金属材料的硬度,提高塑性,以利切削加工或压力加工,减少残余应力,提高组织和成分的均匀化,或为后道热处理作好组织准备等。      (2):正火:指将钢材或钢件加热到Ac3 或Acm(钢的上临界点温度)以上30~50℃,保?#36136;?#24403;时间后,在静止的空气中冷却的热处理的工艺。正火的目的:主要是提高低碳钢的力学性能,改善切削加工性,细化晶粒,消除组织缺陷,为后道热处理作好组织准备等。      (3):淬火:指将钢件加热到Ac3 或Ac1(钢的下临界点温度)以上某一温度,保持一定的时间,然后以适当的冷却速度,获得马氏体(或?#35789;?#20307;)组织的热处理工艺。常见的淬火工艺有盐浴淬火,马氏体分级淬火,?#35789;?#20307;等温淬火,表面淬火和局部淬火等。淬火的目的:使钢件获得所需的马氏体组织,提高工件的硬度,强度和耐磨性,为后道热处理作好组织准备等。      (4):回火:指钢件经淬硬后,再加热到Ac1 以下的某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺。常见的回火工艺有:低温回火,中温回火,高温回火和多?#20301;?#28779;等。回火的目的:主要是消除钢件在淬火时所产生的应力,使钢件具有高的硬度和耐磨性外,并具有所需要的塑?#38498;?#38887;性等。      (5):调质:指将钢材或钢件进行淬火及回火的复合热处理工艺。使用于调质处理的钢称调质钢。它一般是指中碳结构钢和中碳合金结构钢。      (6):化学热处理:指金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗入它的表层,以改变其化学成分,组织和性能的热处理工艺。常见的化学热处理工艺有:渗碳,渗氮,碳氮?#37319;?#28183;铝,渗硼等。化学热处理的目的:主要是提高钢件表面的硬度,耐磨性,抗蚀性,抗疲劳强度和抗氧化性等。     (7):固溶处理:指将合金加热到高温单相区恒温保持,?#26500;?#21097;相充分溶解到固溶体中后快速冷却,以得到过饱和固溶体的热处理工艺。固溶处理的目的:主要是改?#32856;?#21644;合金的塑?#38498;?#38887;性,为沉淀硬化处理作好准备等。      (8):沉淀硬化(析出强化):指金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和(或)由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化的一种热处理工艺。如?#29575;?#20307;沉淀不锈钢在固溶处理后或经冷加工后,在400~500℃或700~800℃进行沉淀硬化处理,可获得很高的强度。      (9):时效处理:指合金工件经固溶处理,冷塑性变?#20301;?#38136;造,锻造后,在较高的温度放置或室温保持,其性能,形状,尺寸随时间而变化的热处理工艺。若采用将工件加热到较高温度,并较长时间进行时效处理的时效处理工艺,称为人工时效处理,若将工件放置在室温或?#21248;?#26465;件下长时间存放而发生的时效现象,称为?#21248;?#26102;效处理。时效处理的目的,消除工件的内应力,稳定组织和尺寸,改善机械性能等。      (10):淬透性:指在规定条件下,决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。钢材淬透?#38498;?#19982;差,常用淬硬层深度来表示。淬硬层深度越大,则钢的淬透性越好。钢的淬透性主要取决于它的化学成分,特别是含增大淬透性的合金元素及晶粒度,加热温度和保温时间等因素有关。淬透?#38498;?#30340;钢材,可使钢件整个截面获?#38209;?#21248;一致的力学性能以及可选用钢件淬火应力小的淬火剂,以减少变形和开裂。      (11):临界直径(临界淬透直径):临界直径是指钢材在某种介质中淬冷后,心部得到全部马氏体或50%马氏体组织时的最大直径,一些钢的临界直径一般可以通过油中或水中的淬透性试验来获得。    (12):二次硬化?#32791;承?#38081;碳合金(如高速钢)须经多?#20301;?#28779;后,才进一步提高其硬度。这种硬化现象,称为二次硬化,它是由于特殊碳化物析出和(或)由于参与?#29575;?#20307;转变为马氏体或?#35789;?#20307;所致。    (13):回火脆性:指淬火钢在?#25215;?#28201;度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象。回火脆性可分为第一类回火脆?#38498;?#31532;二类回火脆性。第一类回火脆性又称不可逆回火脆性,主要发生在回火温度为250~400℃?#20445;?#22312;重新加热脆性消失后,重复在此区间回火,不再发生脆性,第二类回火脆性又称可逆回火脆性,发生的温度在400~650℃,当重新加热脆性消失后,应迅速冷却,不能在400~650℃区间长时间停留或缓冷,否则会再次发生催化现象。回火脆性的发生与钢中所含合金元素有关,如锰,铬,硅,镍会产生回火脆性倾向,而钼,钨有减弱回火脆性倾向。
                                  铸件成形的控制主要包括浇、冒系?#24120;?#20919;铁设计。控制充型过程和凝固过程,在铸造生产过程中起着重要的作用。许多的铸造缺陷都与上述两个过程直接相关,如缩松、缩孔、卷气、冷隔、?#24615;?#31561;。是铸造工艺的关键技术之一。1.液态金属充型过程控制液态金属充型过程控制将影响浇注的成败和铸件质量,大型铸件的浇注工艺应满足大流?#20426;?#24555;速平稳充型的基本要求。大型铸件的浇注多采用多包多?#38477;?#21516;时浇注,充型过程控制的关键是:(1)严格控?#32856;?#28082;的浇注温度和补浇钢液的温度,(2)协调好各包、各浇口的开启?#38477;?#26102;间和?#25215;潁?)严格控制浇注时间,(4)要设置防止残砂、钢渣、引流砂进入型腔的措施,如防砂帽、溢流口、缓流?#38477;?#31561;。2.铸件的结晶、凝固与收缩控制对于大型铸钢件,保证铸件凝固?#25215;?#21644;补缩效率,这是控制铸造缺陷,获得优质大型铸钢件的重要条件。需要合理设置冒口的尺寸、数?#20426;?#20301;置,考虑到充分补缩的要求,通常需要设置足够的冒口?#22266;?#24182;配合适当的挂砂冷铁,挂砂冷铁设计?#20445;?#20919;铁布置、挂砂层厚度、挂砂层附着强度等工艺因素对控制凝固?#25215;潁?#38450;止缺陷均有重大影响。为提高冒口补缩效果,除尽量采用保温、发热冒口,高校发热覆盖剂外,还需要补浇冒口。对大型铸钢件而言,冒口补浇工艺一方面可以提高冒口补缩效率,另一方面可以解决熔炼能力不足而采用的多炉、多阶段浇注的问题。多炉、多阶段浇注工艺设计?#20445;?#35201;充分考虑各炉钢水的出炉时机,控?#32856;?#28809;钢水的出炉温度和化学成分,控?#32856;?#38454;段、各浇包开启时间,控制浇注温度和浇注时间。补浇冒口的钢水的熔炼要求视前阶段冒口高度而定,但要满足快速高温的要求。3.计算机模拟技术要获得优质铸件,必须控制铸件的凝固过程。铸件凝固是在铸型内的高温状态下进行的,难以直接观察。长期以来,主要凭经验或以实测资料为依据进行控制铸件的凝固过程的工艺设计。大型铸件凝固过程的温度场难以实测,而且实际生产条件也不?#24066;?#36890;过实验得出铸件的合理工艺方案后才进行工艺设计和正式生产。因此,通常作法主要是凭经验指导铸件的生产。随着计算机技术的发展,生产过程的数?#30340;?#25311;技术已应用于铸造过程并取得了成功,具有代表性的工作是基于凝固过程数?#30340;?#25311;的缩松、缩?#33258;?#27979;和冒口优化。计算机模拟凝固过程,可以帮助工程技术人员在计算机上进?#24515;?#25311;计算。通过模拟计算,可在实际铸造前对铸件可能出现的缩孔缩松缺陷及大小、部位和发生的时间进行有效的预测。以不断改进工艺,有效控制凝固过程,达到缩短产品试制周期,降低生产成本,确保铸件质量的目的,使铸造生产?#21892;?#32463;验走向科学理论指导。铸件充型过程的数?#30340;?#25311;近年来在模型建立、算法实现、计算效率的提高和工程实用化方面取得了一些重要突?#30130;?#24182;重点研究了充型流动对凝固进程的影响。建立了铸件充型和凝固过程的流动和传热模型,实现了流速场和温度场的耦合模拟,预示着已经可能利用数?#30340;?#25311;的方法对复?#21448;?#20214;充型过程进行数值仿真。铸造工艺装备的设计铸件生产所使用工艺装备的设计。工艺装备包括模样、模板、?#23613;⒑小?#30722;箱、 量具、夹具、样板等。大型铸件一般生产批量小,形?#24202;?#24322;大,工?#24052;?#29992;性较差,许多工装需要综合考虑、专门设?#30130;?#22914;芯铁、冷铁等。冷铁设计通常还要专门设计挂砂工艺及要求。预备热处理技术大型铸件在浇注冷却过程中,铸件壁厚相差悬殊的不同部位,壁厚尺寸大的同一部位的表面及心部,冷却过程温差很大,会产生很大的热应力,尺寸大,形状复?#25317;?#38136;件不同部位冷却速度不同,收缩的时间不同,相互之间产生很大的机械应力,型、芯复杂,型、芯对铸件的收缩有较强的阻碍,也造成很大的机械应力,这样,铸件完全冷却后不可避免的在铸件内部产生较大的铸造残余应力。高碳钢、合金钢中的碳、锰、铬等元素的含量增加,可以提高强度,却降低导热性,加大铸件各部位冷却的温度差,因此,高碳钢、合金钢中的铸造残余应力更大。另外,大型铸件截面厚大,冷?#35789;?#36895;度?#19979;?#36890;常铸态组织晶粒粗大,偏析严重,极大影响力学性能,为了保证后续的后处理,满足设计要求,一般铸件都需在浇注冷却后进行适当的热处理,通常称为预备热处理,预备热处理的目的:一是消除或减少铸造应力,二是改善组织,获得足够的力学性能,如强度、塑韧性等。一般的预备热处理规范有?#21644;?#28779;、正火、正火+回火等。预备热处理的关键技术是装炉时机和升温速度,大型铸件因为工期的要求,往往不能等到冷却到常温再打箱,造成打箱后较高温度情况下快速冷却,使铸件应力增高,需要及时装炉进行热处理;装炉后升温要适宜,此时的升温类似铸件的冷却,不同部位,同一部位的表面及心部,存在温差和膨胀的差异,从而,形成新的应力,这种新的应力称为热处理应力,这种热处理应力与原有铸造应力相互作用、相互影响,极为危险,使铸件发生变形、开裂的机率大为增加,不能升温过快,但从快速生产和节约能源的角度要求,不能升温过慢,需要设计适宜的升温速度。热处理的技术也是极为复杂和精确的,也需要长期的经验积累和丰富的理论知识。后处理技术铸件在型内应有足够的冷?#35789;?#38388;,防止产生变形、裂纹等缺陷,为防止产生过大的铸造应力,可在浇注后,铸件凝固基本凝固完成?#20445;?#26494;弛型、芯,使铸件最大限度地自由收缩。冒口切割是铸件后处理的最重要的环节,绝不能忽视。冒口根部在工艺热节和流通效应的影响下,是整个铸件组织最差、热应力最大的部位。在进行常温气割冒口?#20445;?#30001;于割口处温度较高,与周围温差较大,产生一定的热应力,加上本身又存在较大的残余应力,当两种应力的方向正好相同?#20445;?#24212;力便会叠加,应力得到进一步加强,如果应力超过合金的强度极限,则产生裂纹。绝大多数的铸件采用热割冒口的工艺,热割冒口可预防裂纹。尤其高碳钢、合金钢中的碳、锰、铬等元素的含量高,导热性差,淬透性高,进行常温气割冒口?#20445;?#28909;应力更大,并且很容易发生相变,如果相变则会产生相变应力,产生裂纹的风险更高,必须采用热割冒口的工艺。热割冒口可在铸态冷却过程中进行,到一定温度?#20445;?00℃以上,避免弹塑性转变温度区间400℃~600℃),迅速清理冒口部位进行切割,切割后继续冷却,直至打箱清理,再热处理,这种工艺的好处是可以降低能耗,缩短工期,坏处是产生缺陷的风险大。大型件价值很高,应尽量控?#21697;?#38505;,最好采取在退火后进行热割冒口的工艺。无论何种工艺都应特别注意热割温度和割后的保温缓冷。结语大型铸件的工艺设计是一个复?#25317;?#31995;统过程,需要设计人员具备深厚的理论知识和丰富的?#23548;?#32463;验。设计过程中要考虑工艺因素较多,这些因素不是独立的,往往相互作用、相互影响,因此,在设计之初,就要通盘考虑,全面筹划,不能顾此失彼。大型铸件的工艺设计不可能面面俱到,要有主有次,以铸件制造的难点、重点为基础,制定合理的工艺方案,各个工艺因素相互配合、相互补充。大型铸件多为重大技术装备的重要零件,对其性能及质量要求严格,大型铸件批量较小,生产过程复杂,工期漫长,价值很高,工艺试验和改进困难,一些在小件中不显眼的因素,在大件中有显著的影响。设计时以?#38887;?#24910;重为原则,在没有充分依据和保证的前提下,宜采取保险的工艺方案。
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