第二章制药工程材料

1、第二章制药工程材料,第一节 工程材料基础知识,材料常用性能 钢的热处理,一、 材料的力学性能,定义 : 材料在外力作用下所表现出来的性能称为力学性能。 指标 : 强度、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳等。,1 强度,强度反映材料抵抗外力作用不失效、不被破坏的能力 1）屈服强度 s 反映材料抵抗永久变形的能力 2）抗拉强度 b 抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力,2 硬度,表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、反映塑性变形或断裂的能力。 常用测量硬度的方法 ：布氏硬度HB、洛氏硬度HR 、维氏硬度HV 。,布氏硬度 HB,洛氏硬度 HR,维氏硬度 HV,3 塑性,是指材料在载荷作用下产生塑性变

2、形而不被破坏的能力。 断面收缩率： 伸长率： 伸长率和断面收缩率的值越大，则材料的塑性越好。,4 冲击韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力,5 疲劳 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。r -1,二、钢的热处理,1.热处理的定义,2.热处理的主要目的:改变钢的性能3.热处理的分类,热处理分为普通热处理和表面热处理两大类。 普通热处理包括退火、正火、淬火、回火等 表面热处理包括表面淬火、化学热处理等,1）退火和正火,退火是把钢放在炉中，加热到适当温度，保温一定时间，然后随炉温缓慢冷却的热处理工艺。 正火是将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后出炉置于空气中冷却的热处理工艺

3、。,2）淬火和回火,淬火是将钢加热到适当温度，保温一定时间后，置于淬火剂（油、水、盐水）中，快速冷却的热处理工艺。 回火是淬火后进行的较低温度的加热、冷却的热处理工艺。回火按照温度范围的不同分为三类：低温回火、中温回火和高温回火,3）表面热处理,表面热处理方法有表面淬火和化学热处理 钢的表面淬火是将工件的表面通过快速加热到淬火温度，在热量还来不及传导至中心部位之前，迅速冷却来改变钢的表层组织，而中心部没有发生相变仍保持原有的组织状态。 化学热处理是将零件放在某种化学介质中，通过加热、保温、冷却等方法，使介质中的某些元素渗入零件表面，改变表面层的化学成分和组织结构，从而使零件表面具有某些化学性能

4、。,第二节 金属材料,钢的分类 按化学成分分,2）按质量分,钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。 分为：普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。,3）按用途分,一、碳钢 1.碳素结构钢,Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号 Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa； 质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、 S含量依次下降，质量提高。 脱氧方法符号：沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静 钢b；特殊镇静钢TZ。 如碳素结构钢牌号表示为 Q235AF、Q235BZ。,2. 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢：牌号为两位数字 这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几 如45其平均含碳量为万分之

5、四十五（即0.45%C） 碳钢的品种有铸钢、锻钢、钢板、型钢和钢管等,二、铸铁,铸铁含碳量(质量分数)一般在2.11以上，并含有S、P、Si、Mn等杂质。 铸铁可分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、高硅铸铁等 1. 灰铸铁 灰铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的片状石墨形式存在，断口呈暗灰色。,灰口铸铁的牌号、性能和用途,2、球墨铸铁,经过球化处理的铸铁液，浇注后石墨结晶球状，获得球墨铸铁，从而提高了铸铁的力学性能。 牌号表示：是由“QT”（“球铁”两字汉语拼音字首）后附最低抗拉强度 b值（MPa）和最低断后伸长率的百分数表示。,球墨铸铁的牌号、力学性能及用途,三、合金钢,合金钢是指在碳钢基础上有目

6、的地加入某些元素所形成的钢种。钢中加入这些元素的目的是为了改善钢的性能，满足使用要求 。 在合金钢中常用的合金元素有铬(Cr)、锰(Mn)、镍(Ni)、钛(Ti)、硅(Si)、硼(B)、钨(W)、钒(V)等。,合金钢的牌号,合金钢的牌号通常是由含碳量数字、合金元素符号、合金元素含量数字顺序组成。含碳量数字为两位数时表示平均含碳量的万分数，为一位数时表示平均含碳量的千分数；合金元素含量数字位于合金元素符号之后，通常表示合金元素平均含量的百分数，当合金元素平均含量15时不标数字。,合金钢的分类,合金钢按其含合金元素量的多少可分为低合金钢(含合金元素总量小于5)、中合金钢(含合金元素总量（510）和

7、高合金钢(含合金元素总量大于10)。 按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。特殊性能钢分为不锈钢和耐热钢等。,1.低合金高强度结构钢,1）性能要求: 高强度及足够韧性。 良好的焊接性能、耐蚀性及低的冷脆转变温度。 2）用途 Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。 Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。 Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。,2合金钢结构钢,（1）合金调质钢 调质钢通常经调质后使用，具有优良的综合机械性能，广泛用于制造轴、齿轮、连杆、螺栓、螺母等。它是制药机械零件用钢的主体。 调质钢分为碳素

8、调质钢和合金调质钢两类。40、45、50是常用而廉价的碳素调质钢。合金调质钢的常用牌号有40Cr、35SiMn、35CrMo、40MnB等，最典型的钢种是40Cr，用于制造一般尺寸的重要零件。,（2）合金渗碳钢,渗碳钢通常经渗碳并淬火、低温回火后使用，具有外硬内韧的性能，主要用于制造承受强烈冲击载荷和摩擦磨损的机械零件，如变速齿轮，凸轮轴等。 渗碳钢分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢两类。碳素渗碳钢为低碳钢，常用牌号有15、20等；合金渗碳钢的常用牌号有20Cr、20CrMnTi、20MnVB等，其中20CrMnTi应用最为广泛。,3不锈钢,定义： 在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能 力的钢。 分类： 不

9、锈钢按化学成分可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大类。,1）Cr不锈钢,Cr：是提高耐蚀性的主要元素 铬在氧化性介质形成稳定致密的氧化膜，对钢材起到保护作用而具有耐腐蚀性。 最常用的铬不锈钢是Crl3型。 钢号为1Cr134Cr13，随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降。,2）铬镍不锈钢,铬镍不锈钢的含碳量较低，具有良好的耐腐蚀性、塑性和可焊性，适用于制作在腐蚀性介质(如大部分酸、碱、盐的水溶液)中工作的零件，如制药工业中的贮槽、管道和容器等，尤其后两类是制造制剂设备的主要不锈钢材料。,4滚动轴承钢,滚动轴承钢主要用于制造滚动轴承。滚动轴承钢的牌号以字母“G”后附铬元素符号Cr及Cr含量的千分数

10、表示，碳的含量不标出。例如GCrl5表示含Cr1.5%的滚动轴承钢。,四、有色金属,定义 : 除黑色金属 ( 钢、铁 ) 以外的所有 金属。 性能：有色金属具有耐腐蚀性好、低温时 塑性好和韧性高等特殊性能。,1铝及其合金,性能特点: 密度小 ; 熔点低；导电及导热性能好; 抗大气腐蚀性好; 塑性高; 强度低;无磁性; 加工工艺性好等。 铝合金的分类： 形变铝合金和铸造铝合金两类,1）形变铝合金,依据其性能特点分为 防锈铝合金（主要是Al-Mn和Al-Mg系） 硬铝合金（主要有AlCuMg系 ） 超硬铝合金（AlZnMgCu系 ） 锻铝合金（AlMgSiCu系）,2）铸造铝合金,Al- Si系：

11、 铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。代号 为ZL1+两位数字顺序号。 Al-Cu系：耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。代号为ZL2+两位数字顺序号。 Al-Mg系：耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差，耐热性低。代号为ZL3+两位数字顺序号。 Al-Zn系：铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。 代号为ZL4+两位数字顺序号。,2铜及其合金,性能特点：纯铜呈紫红色，故又称紫铜，其密度为8.9g/cm3，熔点为1083；具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性；具有优良的导电性和导热性；在大气、淡水和冷凝水中有良好

12、的耐蚀性。纯铜的强度不高，硬度较低，塑性好。 分类：按化学成分分为黄铜、青铜、白铜。,1）黄铜,以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。 分类：按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。 牌号：加工普通黄铜的牌号为H（黄）+ 表示铜平均百分含量的数字，如H68。在普通黄铜的基础上加入铝、铁、硅、锰、铅、锡、镍等元素形成特殊黄铜。加工特殊黄铜的牌号为H（黄）+主加元素符号（Zn除外）+铜平均百分含量+主加元素平均百分含量，如HPb59-1。,2）青铜,是以锌以外的其他元素为主要合金元素的铜合金。 分类：锡青铜 （普通青铜） 无锡青铜（特殊青铜） 牌号：Q+主加元素符号+主加

13、元素含量+其他元素含量，如QSn4-3为含4%Sn、3%Zn的锡青铜。 常用青铜有锡青铜、铝青铜、 铍青铜、硅青铜、铅青铜等。,3.钛及其合金,性能特点：纯钛密度小，熔点高。纯钛具有同素异构转变，在882.5以下为为-Ti，在882.5以上为-Ti。纯钛的比强度高，塑性及低温韧性好，耐蚀性很高。钛具有良好的压力加工工艺性能，但切削性能较差。 钛合金的分类：型、型、型三种,第三节 非金属材料,定义：金属及合金以外的其余材料称为非金属材料。 一、常用工程塑料 定义：以合成树脂为主要成分的合成材料。 分类： 按应用范围分类：通用塑料和工程塑料 按塑料按树脂性质分：热塑性塑料 热固性塑料,1热塑性塑料

14、,性能特点：加热时软化，可塑造成形，冷却后则变硬；此过程具有可逆性，可反复进行。加工成形简便，具有较高的机械性能；缺点是耐热性和刚性较差。 典型品种：有聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚丙烯、聚苯乙烯等。,2、热固性塑料,性能特点：加入添加剂后在一定条件下发生化学反应而固化，但固化后再加热将不再软化，也不溶于溶剂。耐热性好；具有较高的耐腐蚀性、耐磨性、良好的绝缘性。脆性大，易碎，阳光下易变色。 典型品种：有酚醛塑料、环氧树脂、氨基塑料以及近年来新研制开发的聚苯二甲酸二丙烯树脂制成的热固性塑料。,二、工业陶瓷,分类 ：传统工业陶瓷（普通陶瓷）、特种陶瓷及金属陶瓷三大类。 应用：1）传统工业陶

15、瓷广泛用于日常生活外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。2）特种陶瓷主要用来制作高速切削工具、量具、拉丝模具、耐火坩锅等机器具以及用来制作砂轮、耐高湿涂层涂料。3）金属陶瓷是制作高速工具、模具、刃具以及航空航天中某些耐热高强度的优良工程材料 。,三、复合材料,定义：将两种或者两种以上的材料用人工方法合成的多相材料，既保持组成材料的特性又具有组合后的新特性，这种材料称为复合材料。 在制药机械中应用广泛的复合材料主要有玻璃钢、涂料、不透性石墨 。,1玻璃钢,分类：按其成形性能不同，可分为 1）热塑性玻璃钢（以玻璃纤维为增强剂并以热塑性树脂为粘结剂制成的复合材料）。 2）热固性玻璃钢（以玻璃纤维为增强剂并以热固性树脂为粘结剂制成的复合材料）。 应用： 1）热塑性玻璃钢可代替某些有色金属制造轴承、齿轮、轴承架等精密机件 。 2）热固性玻璃钢主要用来制作形状复杂的机器构件、护罩及车辆配件