粉体工程与设备课程设计-1000吨年铝基复合材料项目的可行性研究报告.doc

粉体工程与设备课程设计题目名称：1000吨年铝基复合材料项目的可行性研究报告 指导老师： 学院：材料科学与工程年级：2007级2班组号：第四组姓名：学号：20072869同组人员： 目录第一章 项目的目的和意义（3）第二章 项目背景、主要产品及工业应用（3）第三章 工艺流程 （12）第四章 设备选用 （17）第五章 成本核算（17）第六章 经济效益分析（18）第七章 设计小结 （22）第八章 参考文献（22）附录 设备平面布置简图 （23）第一章 项目的目的和意义铝基复合材料是一种新型的复合材料,具有高的比强度、比刚度,，优良的高温力学性能、耐磨性和低的热膨胀系数, 在航天航空、汽车、光学等工业领域具有十分广泛的应用前景, 是近年来金属基复合材料研究的热点。该材料既可直接浇铸成型成产品（如发动机活塞、水套），也可用于变形加工（如轧制、挤压）。sicp/al复合材料活塞，可采用直接浇铸成型的方法制造，能大大提高生产成品率，提高活塞耐磨耐热性，减小热膨胀系数，还可在保证刚度的前提下，减小壁厚，降低重量，节约原材料。sicp/al复合材料缸体，比镶铸铁缸衬缸体减重40%，节省燃油10%以上等。铝基复合材料按强化相形态可分为纤维长纤维、短纤维、晶须强化和颗粒强化两种。虽然纤维强化的铝基复合材料在很多方面的性能优于颗粒强化的铝基复合材料, 然而其价格昂贵, 具有各向异性大、微观组织不均匀、纤维与纤维接触反应带过大等缺点,而颗粒强化的铝基复合材料具有成本低廉、各向异性小、容易成形可用常规技术进行二次加工与机械加工等优点, 近年来在国内外得到迅速发展。尤其是颗粒增强铝基复合材料, 不仅具有铝基复合材料共同的优点, 而且颗粒成本低廉, 来源广泛, 具有强大的竞争力, 是一种极有前途的结构复合材料，市场需求极大。第二章 项目背景、主要产品及工业应用1、项目建设背景 现代科学技术，特别是航空航天、能源、海洋工程及交通运输技术的发展，对材料的性能提出了更高的要求，既希望它们具有良好的综合性能低密度、高强度、高刚度、高韧性、高耐磨性和良好的抗疲劳性能等，又期望它们能够在高温、高压、高真空、强烈腐蚀及辐照等极端环境条件下服役。传统的单一材料已远远不能满足上述要求。因此必须设法采用某种可能的工艺将两种或两种以上组织结构、物理及化学性质不间的物质结合在一起，形成一类新的多相材料，即所谓的复合材料，使之既可保留原有组分材料的优点，又可能具有某些新的特性，从而适应现代高技术发展的需求。复合材料可发挥其组元的协同作用，具有灵活的可设计性，材料的性能特殊且变化多样，已成为当今世界新技术革命正在探索、开发且令人振奋的技术之一。 纵观现代复合材料的发展，从本世纪40年代到60年代，以追求轻型和刚度为主要特色出现了第一代复合材料如玻璃纤维增强塑料(grp)：从60年中期到70年代中期，又以追求强度和韧性为目标出现了第二代复合材料，如碳纤维增强塑料(crp)等；而从70年代中期以来，以追求综合性能为目的出现了第三代复合材料，如纤维(或晶须、颗粒)增强金属基(或陶瓷基)复合材料(cmc)等。目前已形成了门类较为齐全的复合材料体系，见图11。70年代末期出现的金属基复合材料(metal matrix composites，简称mmc)，因其具有良好的比强度、比刚度、高温强度耐磨性，耐蚀性等综合力学-性能，更灵活的可设计性，迅速得到了发展和应用，尤其在航空、航天和军事等领域发展和应用速度最快。金属基复合材料被誉为21世纪的材料其中短纤维或陶瓷颗粒增强金属基复合材料更具有吸引力。铝合金和镁合金是基体材料的最佳候选者，而陶瓷颗粒由于具有优异的性能倍受青睐。近年来，在颗粒增强金属基复合材料的研究中，所用的增强颗粒材料有陶瓷颗粒：如a1203、sic、si3n4、tic、a14c，、cr7c3、ti02；金属及台金的硬质颗粒：如mo、w、cr、fep、fesi等。颗粒增强金属基复合材料中以a1203、sic发展较快。石墨粒子增强铝基复合材料中，石墨粒子能显著提高材料的抗磨性和抗擦伤性，同时也大大改善了材料的吸振性和切削加工性能，适合于制造活塞、轴承、轴瓦等抗磨零件。但是石墨粒子在铸件垂直方向有漂浮现象，特别是重力铸造的铸件中，石墨粒子漂浮尤为严重，偏聚也较严重。颗粒增强铝基复合材料是研究较多、比较成熟的一类金属基复合材料。如以应用最广泛的碳化硅颗粒增强铝基复合材料，sic和铝可以实现良好的界面结合强度，铝基体经sic增强后可以显著提高材料性能，已成为近三十年来世界各发达国家广泛开展研究的一个重要材料领域，而且各发达国家还对有关的技术严格保密，并从战略意义高度重视该材料的研究和技术封锁，如1979年秋，美国政府曾下达对铝金属基复合材料技术封锁的命令。我国政府于80年代初，以“863”高技术研究发展计划的方式，连续lo余年支持铝金属基复合材料的研发和应用，追踪和赶超世界新材料和新技术的发展，已取得了很多研究成果，建立了国家级研究基地，而且在航天、军事领域已初步得到了应用。铝基复合材料的增强相包括：纤维、晶须、颗粒，增强相的形态和种类影响复合材料的性能和制造成本；它们的组织形态如图12(a)(b)(c)所示。纤维增强铝基复合材料(fiber reinforc酣a1uminum matrixcomposites，即framcs)、晶须增强铝基复合材料(whisker reinforceda1uminufil matrix composite，即wramcs)和颗粒增强铝基复合材料(particulate rei兀forced a1uminum matrix composites， 即pramcs) ，它们在材料的性能特点、制备技术难度和成本等各个方面存在着很大的差异。纤维增强mmc的优良特性已被人们所共识，但连续的制备和把纤维层压于金属基体中是一个很复杂和昂贵的过程。另外，在单向应力状态下，它可呈现最好的性能。如遇到二向、三向应力状态，材料的使用会因其性能的各向异性而受到限制。虽然晶须增强的mmc均能体现更良好的各向同性性能，但晶须还是很贵，产量也有限，其应用也自然受到了一定的限制。 综合性能良好的颗粒增强mmc，由于克服了纤维和晶须增强复合材料价格昂贵、生产工艺复杂等缺点，具有成本较低、制备方法灵活多样，尤其是可以对传统的冶金设备和方法加以改造就能制备出质量较好的复合材料等优点，因而颗粒增强金属基复合材料犹如异军突起，得到了迅猛的发展并在越来越多的领域得到广泛的应用。pramcs由颗粒增强材料和金属基体组成。可选用的颗粒增强材料种类很多但这些增强材料大都以陶瓷质材料为主要特色，以提高增强性能的效果。表1一l列出了目前国内外所采用的主要颗粒增强材料的种类及部分性能。颗粒增强材料主要是各种碳化物、氧化物、氮化物以及碳、硅、石墨等颗粒。选择颗粒增强材料要考虑的因素主要包括：颗粒与基体的相容性、形状及尺寸、力学性能和物理性能，以及成本等。一般可根据具体的用途和制各方法，优先考虑某些重要的性能来决定颗粒增强材料的选取。如用作结构材料时，应在保证与基体能够相容的情况下，以选取力学性能高、密度比较小的颗粒为宜，以减轻结构重量；用作功能材料时，则主要选用各项物理性能好的颗粒，如低热膨胀系数、高的导热系数以及熔点等。通常颗粒形状以球状或近球状的为佳。至于颗粒尺寸，虽从理论上讲颗粒愈小，材料弥散强化作用愈好，性能愈高。但对于某些制备方法(如液态制各方法)，过细的颗粒会使液体粘度增大，流动性恶化，孔隙率高等，由此降低了复合材料的质量，并会增加材料制备的技术难度。粗大的颗粒，除了会削弱增强效果外，还会由于颗粒下沉倾向大，很容易产生重力偏析。在各种颗粒增强材料中，sic性能良好，来源于工业磨料，可成百吨的生产，价格便宜，因此得到了最广泛的应用。然而，处于技术保密等原因，文献资料中关于sic颗粒尺寸选择方面的介绍较少，为改善sic与基体金属之间的浸润性而对sic进行的预处理技术细节也少见报道，至于sic的颗粒大小、颗粒分布、粒形和加入量等对复合材料性能的影响尚未见到深入系统的研究的报道。这种状况，无疑增加了研发sic颗粒增强铝基复合材料的技术难度。在铝基复合材料产业化生产方面，加拿大duralcan已建成年产l万余吨的sic颗粒增强铝基复合材料(sic。a1复合材料)型材、棒材、铸锭以及复合材料零件的专业工厂，其生产的sical复合材料铸锭单个最重达596kg。到目前为止，sicpal复合材料己成功的用于航空航天、电子工业、先进武器系统、光学精密仪器、汽车工业和体育用品等领域，并取得巨大经济效益。已建成批量生产sical复合材料的国家还有挪威、英国、德国等国家。 我国尽管投入了大量的人力、物力和时间开展了铝基复合材料的研究工作，并在部分工业领域如航天、汽车等进行了应用试验，到宦煎为止，还主要以实验室研究开发为主，尚未见到产业化生产slca1复合材料和有关生产企业的报道，在sical复合材料产业化进程方面与国外发达国家的差距较大。2、主要产品 主要产品有：汽车制动盘、刹车盘、汽车发动机活塞、齿轮箱、驱动轴、连杆、摇臂、车轴瓦、高速列车的车体的各种扳材和型材、航空结构导槽、角材、惯性导航系统的精密零件、越野自行车链齿轮等3、铝基复合材料在工业上的应用 （1）在汽车工业中的应用 sica1复合材料成功的制造了汽车制动盘、汽车发动机活塞、齿轮箱等汽车零件。与铸铁制动盘相比，sical复合材料制动盘重量减轻了4060，耐磨性能优良，噪音明显减小，而且摩擦散热快。与铝合金活塞相比，sical复合材料汽车活塞具有高的耐磨性，良好的耐高温性能和抗咬合性能，而且热膨胀系数小，导热性较好。用sical复合材料制成的汽车齿轮箱的强度和耐磨性均明显高于al合金齿轮箱。美国dwa公司采用sica1复合材料制造的摩托车活塞耐磨性极佳，装有该活塞的摩托车参加了一年内100次越野赛，但复合材料活塞无明显磨损。另外，sical复合材料还适合制作汽车驱动轴、连杆、摇臂等汽车零件。 （2）在航空航天及军工领域的应用 美国dwa特种复合材料公司已用25sic606lal复合材料代替7075制造航空结构导槽、角材。美国arco化学公司所属的先进复合料分公司acmc生产的3035volsic2024a1复合材料，抗拉强度达到800mpa，屈服强度大于690 mpa，弹性模量高于150gpa，都大大高于基体合金，且热膨胀系数很低，可用来代替a1合金、ti合金等制造各种飞机结构件，如直升飞机起落架、翼前缘加强筋和大的通用正弦形梁。另外，已用sica1复合材料成功地制成了导弹壳体、轻型坦克履带板、雷达天线、穿甲弹弹托、导弹嵌镶结构等军工用品。 （3）在电子器件、精密仪器和光学仪器中的应用 sical复合材料热膨胀系数和密度低，导热性能良好，因此已用来制造电子器材、散热片等电子器件。美国亚利桑那大学研制了一种超轻空间望远镜，采用sica1复合材料制造行架，支架和副镜等，使重量大大减轻。此外，现已用sica1复合材料制造出了惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等精密仪器和光学仪器。 （4）在体育用品上的应用duralcan公司已用sica1复合材料制成自行车链齿轮，该链齿轮已用于越野自行车上。由于sical复合材料具有较高的屈强比，弹性好，美国duralcan公司已用sical复合材料制造出了高尔夫球头试制品和网球拍等高级体育用品。 （5）在机车车辆上的运用 a在刹车制动盘上的运用高速列车的轻量化是经济有效的提高铁路运营速度的关键。日本新干线电动车组初速度为270kmh，制动时，要求制动盘重量为车辆簧下重量的10。日本铁道综合技术研究所采用了sic+a1颗粒增强的铝基复合材料制造制动盘，在280kmh初速度下进行了实物试验。确认了具有实用化的可能性。复合材料较好的摩擦特性主要归因于陶瓷颗粒对于铝基体的支撑作用和铝基体的良好导热性。德国克诺尔公司根据不同载荷应用条件，研制出了6loxloo，610x130，6loxl80等不同厚度的铝合金材料制动盘。并为140180 iiiin厚的制动盘申请了专利(ep529236)。采用有机合成闸片分别在轻轨电动车组(最高速度120kmh，制动盘外经710咖)和ice高速列车(外经640唧，宽100m，最高速度280kmh)上进行了试验，前者的摩擦系数为o3左右，后者为o3035。铝制动盘的优点为：重量减轻4096以上，熟裂减少，极低的磨损，节省能源，没有热斑。我国要发展高速铁路，采用铝基复合材料制造刹车盘也将是解决列车制动的重要途径之一。 b在车轴瓦上的运用我国车辆车轴瓦为钢背上挂铸铝合金的双金属结构。由于铝合金的耐磨性不好，致使轴瓦消耗量和维修剐瓦的量很大，而且由于尚无对铝合金和钢背之间界面结合质量的有效检测方法，在生产出厂的轴瓦中，经常出现脱层、开裂等质量问题，因而目前已成为铁路系统轴瓦生产的一个关键。如果采用了sic或al2o3。颗粒增强的铝基复合材料制造轴瓦，使其耐磨性和使用寿命成倍的提高，就能大幅度的减少轴瓦消耗和换轴瓦检修的时间及费用，提高车辆的有效使用率。第三章 工艺流程 1、工艺流程 流程说明：先将铝锭粗碎，送入电磁感应炉中，加热，当加热至熔融后，将经过焙烧、捣碎、搅拌、筛分之后得500目的sic粉末，在ar气的作用下由喷嘴喷入金属液，。当液体金属炼好之后，将sic金属液混合液倒入电磁感应炉进行第二炉的熔炼，熔炼好后注入各个砂模之中，冷却、定型之后，开模，将所得到的粗胚运至修整车间进行修整，如进行车、刨、磨等。修整好的产品可成批送入回火炉回火，以降低加工过程中产生的内应力。回火之后，将产品进行最后整形，之后送至检验处，检验完后，将合格品进行包装，入库。 设备示意图 1. 热电偶 2. 加热电阻丝 3. 坩埚 4. 人工智能温度调节仪表 5. 电磁感应炉 6. 搅拌叶片 7. 真空罐 8. 压力表 9. 吸液管 10. 真空泵 11. 导气管 12. 调速机.13搅拌杆 2、制备工艺中的问题 在采用搅拌熔炼法制备sic 颗粒增强铝基复合材料时, 需要解决的几个关键问题是, sic 颗粒与基体铝合金熔液的浸润性差, sic 颗粒在基体铝合金中的分散不均匀, 以及搅拌引起复合材料中的气孔、夹杂增多等问题。（1） sic 颗粒与基体铝合金之间的润湿性问题 sic 颗粒与基体铝合金熔液之间的润湿角大于90, 润湿性较差。要降低其间的润湿角, 增加二者的润湿性, 必须增加sic 颗粒的表面能和减小液态铝合金熔液的表面张力。为此, 出现了许多改善其间润湿性的方法，比如, 在颗粒表面镀以金属n i 或cu, 以提高颗粒的表面能, 并以金属金属界面替代金属陶瓷界面; 对颗粒进行热处理, 以除去其表面吸附的气体并在其表面形成氧化层薄膜; 对颗粒进行超声处理, 以除去颗粒表面吸附的气体、杂质; 在熔融金属液中添加活性元素, 如m g、l i、t i、zr 等, 以降低基体溶液的表面张力等。 经过多方面的探索与实践, 找到了一种sic 颗粒预处理工艺 , 即 在特殊电热炉中将sic 颗粒焙烧, 出炉后将聚团的sic 颗粒捣碎, 用玻璃棒进行搅拌, 并将处理过的sic 颗粒过滤, 除掉残留团块, 便可作为增强组分使用。该工艺具有设备简单, 处理时间短, 工艺参数易控制等特点, 处理后的sic 颗粒无粘结成团现象, 流动性显著改善。同时, 还通过采取提高铝合金熔液中镁元素含量的措施, 成功地解决了sic 颗粒与铝合金熔液间的润湿性问题。 (2)sic 颗粒在基体铝合金中的分散程度 sic 颗粒在基体铝合金中的分布状况与颗粒的加入方式和搅拌工艺有关。通过一特制的漏斗，借助a r 气流的作用将sicp 均匀地喷吹到基体铝合金熔液表面, 在重力和搅拌引起的旋涡力作用下进行到熔液中。该工艺的关键是气体流量和管道直径的合理设计。 搅拌工艺参数包括搅拌温度、转速、时间和搅拌器形状等。选择在基体铝合金处于半固态状态下的温度(565) 对熔液进行搅拌, 目的之一是搅拌器的高速旋转可将基体合金熔液中的固相a2枝晶打碎, 增加sic 颗粒与枝晶间摩擦、碰撞的机会, 这种相互作用有利于团聚的颗粒分散开来。另外, 较低的搅拌温度可以避免基体铝合金与sic 之间发生界面反应。半固态搅拌时, 搅拌器形状、搅拌转速和时间等参数对sic 颗粒在基体中的分散度有重要影响。采用高纯石墨制作的大倾角搅拌器既能将熔液充分搅溶, 又不至于引起很大的漩涡。通过反复试验和摸索, 得出了较佳的搅器直径范围(坩埚内径的1 3 23)、螺旋角度和搅拌器厚度。一般来说, 随着搅拌转速的增大和时间的延长, sic 颗粒的分布更趋均匀。但转速过大会导致浆液飞溅, 时间过长会卷入较多气体, 因而应对这些参数进行适当控制。得出的最佳搅拌转速为690r/min, 搅拌时间为2030min。(3)切削加工在所采用的三种切削刀具中, 发现k10 硬质合金刀具磨损最为严重, 且加工精度较低, 不适于对陶瓷颗粒增强铝基复合材料的加工; pcd 聚晶金刚石刀具和金刚石涂层刀具均能较好地对复合材料进行机加工, 但pcd 刀硬度高、韧性低, 不适于对复合材料进行粗加工, 而用其进行精加工则可得到较高的表面质量, 能实现以车代磨的加工工艺, 且刀具的磨损小。金刚石涂层刀具的涂层较厚, 具有良好的韧性, 且成本较低, 适于在低、中速下对sic 颗粒增强铝基复合材料进行粗加工和半精加工, 其合适的切削工艺参数为:切削速度6080n/min, 进给速度014016mm, 切削深度013016mm。在此工艺参数下, 复合材料对刀具的磨损较小, 表面加工质量也较好, 粗糙度一般可达ra312; 在切削速度稍高, 进给速度和切削深度较小时,粗糙度可达ral16, 能够满足一般工件的加工要求。这种刀具的使用寿命超过k10 硬质合金刀具寿命的十倍以上。第四章 设备选用 设备一览表设备名称规格数量总价（万元）电磁感应炉容量2吨1台100sic焙烧炉容量1吨1台30回火炉容量2吨1台30毛坯修整设备（车铣刨磨床）各2台30整形矫正设备1套10ar压缩机1台5高纯石墨棒搅拌器内径1.0米1台17铝锭初碎机0.5吨/小时1台4液相保温炉容量1吨2台10各种基础设备总投资 236万元第五章成本核算1.主要原料价格的数据 铝锭 3000/t sic 4500/t 铝精炼剂 5000/t 模具费 200/套 包装费 300/t 电消耗4000度/t 废品率 7%2.产品售价 65000/t3.企业用工人数 序号岗位人数工资1sic粉末准备516002铝锭粗碎318003al-sic称量入炉316004浇注520005开模214006毛坯修整1024007回火处理324008整形处理428009检验2240010财会2240011销售102000+提成12车间主任2360013生产调度2320014总经理15000第六章 经济效益分析1.生产成本估算表序号项目单位年耗量单价合计备注1原材料1803万1.1+1.2+1.3+1.41.1铝锭吨82830001490.4万1.2sic粉吨2764500234.6万1.3精炼剂吨1250006万1.4mg吨121500018万2模具套1202002.4万3包装费30030万4电费400万度0.60240万 5水费2000立方1.703400元6ar气罐120100012万7工资20.62万8折旧费23万9维护费5万10生产成本2135.84万各项总和2.年度销售收入估算表序号项目年度备注1生产负荷100%2销售收入6500万3增值税178.994销项税363.105进项税184.116附加税17.90=增值税*10%7增值税和附加税196.893.损益估算表生产负荷序号项目年度备注生产负荷100%1产品销售收入6500万2销售税金及附加17.90工业企业不交营业税3总成本费用2117.944利润总额4382.065所得税（25%）1095.526税后净利润3286.557可供分配利润3286.557.1盈余公积金（10%）328.