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铁碳合金组织变化的基本规律：随含碳量的增加，工业纯铁中的三次渗碳体的量增加；亚共析钢中的铁素体量减少；过共析钢中的二次渗碳体量增加；亚共晶白口铸铁的珠光体和二次渗碳量也减少，共晶渗碳体量增加；过共晶白口铁中的一次渗碳体和共晶渗碳体量增加。这个是一向铁碳合金的力学性能的根本原因。 并且随着冷却和加热的条件不同，铁碳合金的组织、性能都会大不相同。
铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体五种。
铁碳合金的基本组织有五个，分别是：铁素体（Fe）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe3C或Cm）、珠光体（P）、莱氏体（Ld）。
五个基本组织的相关特征：
铁素体：碳溶于α-Fe中的固溶体称为铁素体，符号为Fe，铁素体含碳量非常低，在727℃时为0.0008%，其机械性能与纯铁相似，强度和硬度不高，塑性和韧性好；
奥氏体：碳溶于γ-Fe中的固溶体称为奥氏体，符号为A，稳定的奥氏体存在温度为727℃，此时碳的溶解度为0.77%，溶解度最大为2.11%（1148℃），奥氏体的强度，硬度和塑性都很好，是大多数钢进行高温锻造或轧制时所要求的组织；
渗碳体：含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物，分子式Fe3C用符号Cm表示，硬度高，塑性差，硬而脆，钢中渗碳体数量增多，强度和硬度提高而塑性下降；
珠光体：是铁素体与渗碳体的混合物，用P表示，显微镜下渗碳体和铁素体片层相间，交替排列，在平衡条件下珠光体的含碳量为0.77%，它的强度高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体与铁素体之间；
莱氏体：高温状态下奥氏体和渗碳体的混合物，用Ld表示，其机械性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。
上述五种组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体是铁碳合金的基本相。
一、防锈铝合金防锈铝合金包括铝-镁系和铝-锰系合金以及工业纯铝。防锈铝合金的牌号及化学成分见表6-2。这类铝合金的主要性能特点是具有优良的耐蚀性能，因而得名防锈铝合金，简称为防锈铝。此外，还具有良好的塑性与焊接性，适宜压力加工和焊接。这类合金不能进行热处理强化，力学性能比较低。为了提高其强度，可用冷加工方法使其强化。但由于防锈铝的切削加工工艺性差，故适用制作焊接管道、容器、铆钉以及其他冷变形零件。1.铝-镁系合金铝-镁系合金的化学成分中，镁是合金的主要组成元素，此外，还加入少量锰、钛等其他元素。镁含量对合金力学性能的影响是随着镁含量的增加，合金的强度、塑性亦相应提高。但是，当合金中的镁含量超过5%Mg时，合金的抗应力腐蚀性能降低；当镁含量超过7%时，合金的塑性降低，焊接性能也变坏。这可能是与镁含量增加使合金在液态结晶时成分偏析倾向增大有关。由于合金不平衡结晶的结果，合金组织中出现脆性的β(Mg2Al3)相，而导致铝-镁合金性能变坏。实验指出，在镁含量较低的5A02和5A03合金中没有发现β(Mg2Al3)相，随着镁含量的增加，在5A05中可以看到少量β(Mg2Al3)相，而在5A06 合金中，由于镁含量增加，β(Mg2Al3)相的数量亦相应的增加。铝-镁合金中加入少量（0.3%～0.8%）锰，不仅能改善合金的耐蚀性，而且还能提高合金的强度。少量的钛或钒主要是起细化晶粒的作用，少量硅可以改善合金的焊接性能。在铝-镁系防锈铝中，铁、铜和锌等是有害的杂质元素，它们能使合金的耐蚀性能与工艺性能恶化，故其含量应严格控制。在铝-镁合金中，镁在固态铝中虽然有较大的溶解度，且随温度变化亦比较大，但由于铝-镁合金淬火后，在时效过程中形成的过渡相β′与基体不发生共格关系，其时效强化效果甚微，故铝-镁系合金含7%以下的防锈铝均不采用时效处理来提高强度。为了提高铝-镁系防锈铝的强度，可以采用冷加工硬化的方法使其强度提高。但是，含镁高的铝-镁系防锈铝在冷加工硬化后，随着在室温放置时间的增长，合金的强度、特别是屈服强度明显下降，而延伸率显著提高。而且，这种软化现象随着合金的镁含量和变形度增加而表现得更明显。为了防止高镁防锈铝冷加工后的软化现象，冷变形后应进行稳定化处理，即加热到150℃保温3小时，使之在室温下力学性能稳定化。2.铝-锰系防锈铝铝-锰系防锈铝中常见的合金牌号是3A21。锰是该合金的主要组成元素，锰含量在1.0%～1.6%范围内的合金具有较高的强度，同时具有较高的塑性、焊接性以及优良的耐蚀性。当锰的含量超过1.6%时，由于形成大量的脆性化合物MnAl6，虽然强度有所提高，但合金的塑性显著降低，压力加工工艺性能变坏，故防锈铝中锰含量一般不超过1.6%。铁和硅是合金中的主要杂质。铁降低锰在铝中的溶解度，并能溶于MnAl6中，形成（FeMn）Al6，这是硬而脆的难溶相。实践证明，合金中含有少量铁能细化合金组织，但铁含量过高时，则由于形成大量的（FeMn）Al6相，而显著降低合金的力学性能与工艺性能，降低铸造性，故应严格控制其含量，一般控制在0.6%以下。铝-锰系防锈铝因其时效强化效果不佳，故不采用时效处理。3A21合金制品的热处理主要是退火。但3A21合金退火时，极易产生晶粒粗大，导致合金半制品在深冲或弯曲时表面粗糙或产生裂纹。为了保证获得细晶粒的3A21合金制品，应提高退火时的加热速度，或在合金中加入少量钛的同时，加入0.4%铁来细化合金组织。或者将铸锭在600～620℃进行均匀化退火，消除锰在晶内和晶间的严重偏析。从而获得均匀细小的晶粒，以改善压力加工工艺性能。二、硬铝合金铝-铜-镁系合金是使用较早，用途很广的铝合金。它有强烈的时效强化作用，经时效处理后具有很高的硬度、强度，故铝-铜-镁系合金总称为硬铝合金。此外，这类合金还具有优良的加工工艺性能，可以加工成板、棒、管、线、型材及锻件等半成品，广泛应用在国民经济和国防建设中。硬铝合金的主要合金元素是铜、镁，此外还含有锰和一些杂质元素铁、硅、镍、锌等。硬铝合金的牌号及化学成分见表6-2。不同牌号的硬铝合金具有不同的化学成分，其性能特点亦不同。含铜、镁量低的硬铝强度较低而塑性高；含铜、镁量较高的硬铝则强度高而塑性较低。硬铝合金的成分与力学性能的关系，是由合金中形成的强化相所决定的。硬铝合金中铜与镁比值不同，形成的强化相亦不同，其强化相与强化效果亦不同。镁含量低时，形成的主要强化相是θ相(CuAl2)，当镁量增加时，θ相减少，而形成强化效果比θ相更大的、并具有一定耐热性的S(Al2CuMg)相。进一步增加镁含量，则相继形成强化效果较差的T(Al6CuMg4)相与β(Al3Mg2)相。当铜与镁的比值一定时，铜和镁总量愈高，强化相数量愈多，强化效果愈大。在硬铝合金中除主要元素铜和镁外，还加入一定量的锰。锰能改善硬铝的耐蚀性，细化合金组织，淬火是锰溶于固溶体起固溶强化作用，使淬火硬铝的强度提高30~70MPa。但含锰量过高时塑性显著降低，因此，硬铝合金中的锰含量控制在0.3%～1.0%。此外，锰还能提高硬铝的耐热性能和削弱杂质铁的有害作用。硬铝合金中的锰含量控制在0.3%～1.0%。铁是硬铝中的有害元素，它不仅能与铝形成金属间化合物FeAl3，降低合金的塑性与耐蚀性能，而且还能夺取合金中的铜形成Cu2FeAl7难溶化合物，减少强化相θ和S的数量，降低时效强化效果。此外，铁还能与硅、锰等元素形成粗大的脆性化合物，使工艺性能变差。因此，在硬铝合金中铁含量一般都控制在0.5%以下。硅在硬铝中亦是以杂质存在。当合金中铁含量较低时，硅与镁优先形成Mg2Si化合物，消耗一部分镁，使强化相S(Al2CuMg)相减少。从而降低硬铝的自然时效强化效果。硅对硬铝的塑性没有太大的影响，相反当合金中有铁存在时，硅与铁形成Fe2SiAl2相，可以减少由于形成粗大片状的(FeMn)Al2相的是有害元素，作用。在硬铝中硅的含量一般控制在0.5%～0.7%。镍在硬铝合金中亦是有害杂质。镍能与铜形成AlCuNi难溶化合物，从而减少了强化相θ(CuAl2)、S(Al2CuMg)相的数量，使硬铝的时效强化效果降低，因此镍含量应限制在0.1%以下。锌在硬铝中以杂质存在，它对硬铝的室温力学性能没有影响，但降低硬铝的热硬性，并增加焊接时形成裂纹的倾向，也需严加控制。硬铝合金按其合金元素含量及性能不同，可分为三种类型：即低强度硬铝，如2A01、2A03、2A10等合金；中强度硬铝如2A11 等合金；高强度硬铝，如2A12等合金。1.低强度硬铝这类硬铝合金镁含量较低（2A10）或含铜、镁量都比较低（2A01）。其主要强化相是θ(CuAl2)相，所以时效强化效果较小，强度比较低，具有较高的塑性，而且时效硬化速度比较缓慢。时效强化后具有较高的剪切抗力，适宜作铆接材料。2.中强度硬铝中强度硬铝亦称标准硬铝。这类合金的铜、镁含量都比较高。它在图6-9中（如2A11合金）处于α(Al)+θ(CuAl2)+S(Al2CuMg)相区左侧，主要强化相亦是θ(CuAl2)相，其次是S(Al2CuMg)相。但铜和镁总量较高，镁量较低，因此具有较高的强度和较好的塑性。退火后工艺性能良好，可进行冷弯、冲压等工艺过程焊接性能良好，耐蚀性中等。被切削加工性在退火状态比较差，但时效硬化状态被切削加工性良好。主要用作中等载荷的结构零件。3.高强度硬铝为了提高硬铝合金的强度和屈服极限，在中强度硬铝的基础上，同时提高铜和镁的含量或单独提高镁的含量而形成高强度硬铝。，如2A12合金。它在图6-9中处于α(Al)+θ(CuAl2)+S(Al2CuMg)相区的右侧。其主要强化相是S(Al2CuMg)相，其次是θ(CuAl2)相。由于S相的自然时效强化效果比θ相强，故2A12合金具有比2A11更高的强度和屈服极限以及良好的耐热性，但塑性和某些工艺性能较差些。2A12合金是工业中应用最广泛的一种高强度硬铝合金。硬铝合金的耐蚀性比防锈铝要差的多，特别是在海水中的耐蚀性更差。所以凡需要在腐蚀环境中工作的硬铝合金零件，其表面都要包一层高纯度铝，以提高其抗蚀能力，但是，包铝的硬铝材料热处理后的力学性能要比未包铝的低些。硬铝淬火加热的过烧敏感性很大，为获得最大固溶度的过饱和固溶体，2A12合金最理想的淬火温度为500±3℃，但实际生产条件下很难办到，所以2A12合金常用的淬火温度为495～500℃。硬铝合金淬火加人工时效状态比淬火加自然时效具有更大的晶间腐蚀倾向，所以除高温工作的构件外，一般采用自然时效。2A12合金淬火后自然时效与力学性能的关系。 淬火冷却速度对硬铝合金的强度及耐蚀性都有强烈的影响。当淬火冷却速度低时，由于淬火过程中强化相，如θ(CuAl2)相沿晶界大量析出，而降低自然时效强化效果和增大晶间腐蚀倾向。因此硬铝合金淬火时，在保证不变形开裂的前提下，冷却速度愈快愈好。对于2A11和2A12合金，淬火冷却速度分别不小于20℃/s和14℃/s，通常采用清水作淬火介质。三、超硬铝合金铝-锌-镁-铜系合金是目前室温强度最高的一类铝合金，其强度达500～700 MPa，超过高强度的硬铝2A12合金（400～430 MPa），故称为超硬铝合金。超硬铝合金的牌号及化学成分见表6-2。超硬铝合金中，主要合金元素是锌、镁、铜，有时还加入少量锰、铬、钛等元素。锌和镁是合金的主要强化元素，在合金中形成强化相η（MgZn2）和T(Al2Mg3Zn3)相，它们在铝中都有很大的溶解度变化，具有显著的时效强化效果。但含锌、镁量过高时，虽然合金强度很高，但塑性和抗应力腐蚀性能降低。在合金中加入一定量铜，可以改善超硬铝的抗应力腐蚀性能，同时铜还能形成θ(CuAl2)和S(Al2CuMg)相起补充强化作用，提高合金强度。但铜含量超过3%时，合金的耐蚀性反而降低，故超硬铝合金中的铜含量应控制在3%以下。在超硬铝中加入锰和铬可以提高合金在淬火状态下的强度和人工时效强化效果，同时改善合金的抗应力腐蚀性能。铁和硅都是有害杂质，。铁与锰形成难溶的复杂化合物相，降低合金的力学性能，并使铆接性能变差。硅在合金中夺取镁形成Mg2Si相，使合金中主要强化相η（MgZn2）和T(Al2Mg3Zn2)相的数量减少，降低时效强化效果。铁和硅同时存在时，对超硬铝合金的性能影响比单独存在时要小。如铁和硅的含量均低于0.5%。时，实际上对合金的力学性能没有影响。7A04合金的主要强化相是η相和T相，其次为S相，若在7A04合金的基础上稍提高锌、镁、铜含量，如7A06合金的组织中，η相与T相数量增多，而S相减少，则合金具有更强烈的时效强化效果，故7A06比7A04合金热处理后具有更高的强度，Rm可达600～700 MPa。超硬铝和硬铝比较，淬火温度范围比较宽。对于6%Zn和含3%Mg以下的合金，淬火温度为450～480℃。但淬火温度不宜超过480℃，否则会降低合金的耐蚀性能。合金淬火时应尽量缩短淬火转移时间，以防止含铜相析出，降低合金时效效果。超硬铝热处理与硬铝不同，超硬铝自然时效的时间很长，要经50～60天才能达到最大强化效果；此外自然时效的超硬铝比人工时效的具有更大的应力腐蚀倾向，因此超硬铝均采用人工时效处理。为了进一步提高合金的抗应力腐蚀性能，可采用分级人工时效，即在120℃时效6小时，然后再在160℃时效3小时，以进一步消除内应力。超硬铝若退火后空冷，有淬火效应。因此，退火冷却速度不易过快,一般不大于30℃/h，炉冷至150℃出炉空冷。超硬铝合金的主要缺点是耐蚀性差。为了提高合金的耐蚀性能，一般板材表面包含有1%Zn的包铝层。此外，超硬铝的室温强度虽比硬铝高得多，但耐热强度不如硬铝，当温度升高时，超硬铝合金中固溶体迅速分解，强化相聚集长大，而使得强度急剧降低。故超硬铝合金不宜在120～130℃温度以上工作。超硬铝主要用作受力较大的结构零件。四、锻铝合金铝-镁-硅-铜系合金具有优良的锻造工艺性能，主要用作制造外形复杂的锻件，故称为锻铝合金。锻铝合金的牌号及化学成分见表6-2。锻铝合金是在铝-镁-硅系合金的基础上发展起来的。铝中加入镁和硅能形成Mg2Si化合物，它在铝中有较大的固溶度，且随温度降低而急剧减小。当Mg2Si相从过饱和固溶体中析出时引起晶格严重崎变，故Mg2Si相是一个极有效的强化相。但是，Mg2Si相具有一定的自然时效强化倾向，若淬火后不立即时效处理，则会降低人工时效强化效果。为了弥补这种强度损失，在铝-镁-硅系中同时加入铜和少量锰。在铝-镁-硅-铜系中，锰的主要作用不仅是阻止在结晶退火时晶粒粗大，而且还能提高合金的淬火温度上限，从而提高合金在淬火态的强度。加入铜，可显著地改善热加工塑性和提高热处理强化效果，并且还能抑制挤压效应，降低因加入锰而引起的各向异性。铝-镁-硅-铜系锻铝合金的相组成主要是a、Mg2Si、W(Cu4Mg5Si4Alx)相，当合金中铜含量较高时，亦有θ（CuSi2）和S(Al2CuMg)相。锻铝合金的热处理由于共同的强化相Mg2Si和W(Cu4Mg5Si4Alx)相在室温下析出缓慢，所以在自然时效时很难达到最大的强化效果，必须采用人工时效。锻铝合金热处理的共同缺点是淬火后在室温下的停留时间不宜过长，否则显著降低人工时效强化效果。而且停留时间愈长，人工时效强化效果愈差。因此，锻铝合金淬火后应立即进行时效处理。 铸造铝合金铸造铝合金除要求具备一定的使用性能外，还要求具有优良的铸造工艺性能。成分处于共晶点的合金具有最佳铸造性能，但由于此时合金组织中出现大量硬脆的化合物，使合金的脆性急剧增大。因此，实际使用的铸造合金并非都是共晶合金，它与变形铝合金相比较只是合金元素含量高一些。铸造铝合金的牌号按着GB/T8063-1994标准，用“ZAl＋主加元素符号和百分比含量＋辅加元素符号和百分比含量＋辅加元素符号和百分比含量……”表示。铸造铝合金的代号用“铸造”二字的汉语拼音第一个大写字母“ZL”加三位数字表示。第一位数表示合金系别：1表示为铝硅系合金；2表示为铝铜系合金；3表示为铝镁系合金；4表示为铝锌系合金；如ZL110表示10号铝硅系合铸造铝合金，一、铝-硅铸造合金铝-硅合金具有极好的流动性，铸造收缩性和线膨胀系数小，优良的焊接性、耐蚀性以及足够的力学性能。但合金的致密度较小，适宜制造致密度要求不太高的、形状复杂的铸件。在简单的二元铝-硅合金中，加入某些强化元素后组成的多元铝-硅合金称为特殊铝-硅合金。1.简单的铝-硅合金简单的二元铝-硅合金（ZL102）是硅含量11%～13%的合金。铸造后的组织为粗大的针状硅与铝基固溶体组成的共晶体和少量的板块状初晶硅。由于组织中粗大的针状共晶硅的存在，合金的力学性能不高，抗拉强度Rm不超过140 MPa，延伸率A不小于3%。若浇注前在熔融合金中加入2%～3%的变质剂，进行变质处理，则可以细化组织。常用的变质剂为2/3NaF+1/3 NaCl或25% NaF+62.5%NaCl+12%KCl混合物，经搅拌均匀后浇入铸型。经变质处理后的ZL02合金的抗拉强度Rm达180MPa，延伸率A可达8%。铝-硅合金变质处理虽能细化组织，改善力学性能，但由于变质剂钠易与熔融合金中的气体起反应，使变质处理后的铝合金铸件产生气孔（亦称针孔）等铸造缺陷，为了消除这种铸造缺陷，浇注前必须进行精炼脱气，致使铸造工艺复杂化。故目前对于硅含量小于7%～8%的合金一般都不进行变质处理。简单的铝-硅合金经变质处理后，可以提高力学性能。但由于硅在铝中的固溶度变化不大，且硅在铝中的扩散速度很快，极易从固溶体中析出，并聚集长大，时效处理时不能起强化作用，故简单铝-硅合金的强度不高。为了进一步提高铝-硅合金的力学性能，常加入铜、镁等合金元素，形成时效强化相，并通过热处理强化，进一步提高力学性能，以扩大其应用范围。2.含镁特殊铝-硅合金若在铝-硅合金中加入适量的镁，能形成Mg2Si相，它在α固溶体中的固溶度随温度降低而显著减小。在固溶处理时能全部溶入α固溶体，经时效处理能产生显著的强化效果。但镁的加入量过高时，固溶处理后尚有一部分未溶解的过剩相Mg2Si存在，使合金变脆。常用的特殊铝-硅合金有ZLl04、ZLl01等合金。例如，ZL104合金的成份标于图中所示位置，在室温时的平衡组织为α固溶体与(α+ Si)二元共晶体以及自α固溶体中析出的Mg2Si相。热处理后的抗拉强度Rm达240 MPa，延伸率为3.6%。铸造、焊接、耐蚀性能等均较高。3.含铜特殊铝-硅合金在铝-硅合金中加入铜能形成θ (CuAl2)强化相，通过热处理能进一步提高合金强度。常用的含铜特殊铝-硅合金有ZL107合金， ZL107经热处理后抗拉强度达260MP，延伸率为3%。4.含铜、镁特殊铝-硅合金铝-硅合金中同时加铜、镁形成的多元合金。．其组织中除Mg2Si、CuAl2等相外，还有Al2CuMg、W（AlxCu4Mg5Si）等强化相。常用的合金有ZL103、ZL105、ZL110等合金。多元特殊铝-硅合金，因其热处理后具有更高的力学性能，故可用作受力较大的内燃机零件，如缸体、缸盖、曲轴箱等。二、铝-铜铸造合金铝-铜铸造合金的最大特点是耐热性高，是所有铸造铝合金中最高的一类合金。其高温强度随铜含量的增加而提高，而合金的收缩率和形成裂纹的倾向则减小。但由于铜含量增加，使合金的脆性增加，故铸造铝台金的铜含量一般不超过14%。铝-铜合金的最大缺点是耐蚀性差，且随铜含量的增加耐蚀性降低。铜含量不同，铝-铜铸造合金的性能特点不同，其用途并不一样。铜含量4%～5%的合金热处理强化效果最好，具有高的强度和塑性，但铸造性能较差。例如ZL203合金适宜制造形状比较简单强度要求较高的铸件。中等铜含量(8%～10%左右）的合金热处理强化效果较差，但铸造性能较好，例如ZL202合金适宜铸造形状复杂，但强度和塑性要求不太高的大型铸件。铜含量高的合金具有高的耐热性能和优良的铸造性能。适宜铸造形状复杂和在高温工作的铸件，如汽车、摩托车发动机的活塞等。三、铝-镁铸造合金铝-镁铸造合金是密度最小（2.55)、耐蚀性最好、强度最高（抗拉强度可达350MP)的铸造铝合金。但由于结晶温度范围宽，故流动性差，形成疏松倾向大，其铸造性能不如铝-硅合金好，且熔化浇铸过程中易形成氧化夹渣，使铸造工艺复杂化。此外，由于合金的熔点较低，故热强度较低，工作温度不超过200℃。常用的铝-镁铸造合金有ZL301、ZL302合金。ZL301合金由α固溶体及其析出的Mg5Al8相所组成。由于铝-镁合金时效处理过程中不经历GP区阶段，而直接析出Mg5Al8相，故时效强化效果较差，且强烈降低合金的耐蚀性和塑性。因此ZL301合金常以淬火状态使用。ZL301合金经固溶处理后抗拉强度Rm达350MPa，延伸率达10%。铝-镁铸造合金常用做制造承受冲击、振动载荷和耐海水或大气腐蚀、外形较简单的重要零件和接头等。四、铝-锌铸造合金锌在铝中的溶解度很大，极限溶解度为32%。铝中加入10%以上的锌能显著提高合金的强度，故铝锌铸造合金具有较高的强度，是最便宜的一种铸造铝合金，其主要缺点是耐蚀性差。常用的铝-锌铸造合金是ZL401合金。由于这种合金含有较高(6.0%～8.0%）的硅，又称含锌特殊铝-硅合金。在合金中加入适量的锰、铁和镁，可以显著提高合金的耐热性能。主要用于制作工作温度不超过200℃，结构形状复杂的汽车、飞机零件、医疗机械和仪器零件等。五、铸造铝合金的热处理特点及代号铸造铝合金中除了铝-硅合金ZL102、铝-镁合金ZL302外，所有其他合金均能热处理强化。铸造铝合金与变形铝合金比较，其组织粗大，有严重的晶内偏析和粗大的针状化合物。此外，铸件的形状亦比较复杂。因此，铸造铝合金的热处理除了具有一般变形铝合金的热处理特性外，淬火加热温度一般比较高，保温时间比较长，一般均在15～20小时左右。其次，由于铸件的形状比较复杂，壁厚不均匀，为了防止淬火时引起变形开裂，一般采用温度较高（60～100℃）的水作淬火冷却介质。此外，为了保证铸件的耐蚀性以及组织与性能和尺寸稳定性，凡是需要时效处理的铸件，一般都采用人工时效。铸造铝合金的热处理可根据铸件的工作条件和性能要求，选择不同的热处理方法。能力知识点6 耐热铝合金一、耐热铝合金的合金化耐热铝合金的合金化与耐热钢相类似，主要也是通过固溶强化、过剩相强化和晶界强化等几方面来提高其热强性的。1.固溶强化耐热铝合金的固溶强化，要求加入的合金元素与形成的固溶体具有高的热强性，而不显著降低合金的熔点，以保证合金具有较高的再结晶温度。其次，加入的合金元素要能增大原子间的结合力，减慢原子的扩散过程和固溶体分解速度。耐热铝合金通常采用多种合金元素进行合金化。这些合金元素加入后一般降低合金的熔点很少。它们多数是一些熔点比铝高的过渡族元素，常用的合金元素有锰、铁，铜、锂以及稀士元素等。2.过剩相强化耐热铝合金大多是多相合金，一定数量的耐热性能好的过剩相是耐热铝合金不可缺少的，熔点高的、成分和结构复杂、并在高温下与共存的固溶体互相作用微弱的过剩相，具有高的热稳定性。铝合金中热稳定性好的过剩相有A12CuMg(S)、AI6Cu3Ni(T),、Al.xCu,4Mg5Si4(W)、AI2FeSi等。3.晶界强化在铝合金中加入钛、锆和稀土元素等都能有效地强化晶界。特别是稀土元素能与铝中的多种杂质元素起作用，清除晶界处的杂质、达到净化晶界与提高晶界抗蠕变的目的，从而显著地提高铝合金的耐热性能。二、耐热铝合金牌号耐热铝合金根据加工工艺特点不同可分为耐热变形铝合金和耐热铸造铝合金。常用耐热变形铝合金牌号有：2A02、2A16、2A17、2A70、2A80、2A90等；常用耐热铸造铝合金牌号有：ZL110、ZL108、ZL109等，1.耐热变形铝合金1）．耐热硬铝合金耐热硬铝合金为铝-铜-锰系合金，常用的有2A02、2A16、2A17合金。铜和锰是这类合金的重要组成元素。铜含量为6.0%～6.5%的合金具有高的再结晶温度，因此耐热性能高；同时铜的加入能形成CuAl2强化相，通过人工时效可使合金强化。锰在铝中的扩散系数小，并降低铜在铝中的扩散速度，减慢α固溶体的分解和减小强化相在高温下聚集长大倾向，是保证合金耐热性的主要元素。合金的锰含量在0.4%～0.5%时，能形成细小弥散的T (CuMn2Al12）相，提高合金的耐热性。但锰含量超过1.2%时，由于T相数量增多，相界面增加，加速了扩散过程，使合金耐热性降低。因此，在耐热硬铝合金的锰含量应控制在0.4%～0.8%。合金中加入少量钛能细化组织且提高合金的再结晶温度，因而提高合金的耐热性。但钛含量超过0.2%时，反而使合金耐热性降低，故钛含量应控制在0.1%～0 .2%。2A17合金是在2A16 的基础上加入0.25%～0.45% Mg的合金。镁能提高合金的室温强度，有利于提高合金在150～250℃下的耐热性能，但它使合金的焊接性能变坏，故应控制在0.5%以下。耐热硬铝主要用于制作挤压和模锻的半制品，制造在200～300℃下工作的零件，如压缩机叶片盘或加工成板材用作常温和高温下工作的焊接容器。2）.耐热锻铝合金耐热锻铝合金属于铝-铜-镁-铁-镍系合金，铝-铜-镁-铁-镍系合金属于耐热锻铝合金，常用的牌号是2A70,2A80、2A90合金。这类合金中的主要耐热相为S(A12CuMg)相，因此，合金中应力求使S(A12CuMg)相的数置达到极限值。为此，合金中应相对地降低铜含量，而适当提高镁含量，以保证获得最大数量的S(A12CuMg)相，从而获得优良的耐热性能。铁和镍按1:1的比例同时加入合金时，能形成FeNiAl9，对提高合金的耐热性有良好的作用。但合金中单独加入铁或镍时，都使合金的耐热性降低。耐热锻铝合金除了具有较好的耐热性外，还具有小的热膨胀系数，良好的导热性以及加工工艺性能。可加工成各种棒材、锻件以及制作在150～225℃下工作的结构零件。2.耐热铸造铝合金活塞是发动机中传递能量的一个重要零件，它在工作时承受高温、高压、并高速地往复运动。因此，作为活塞材料，除了要求密度小、导热性好外，还要求具备优良的耐热性和耐磨性以及良好的加工工艺性。活塞铝合金是典型的耐热铸造铝合金。它是在二元铝-硅合金ZL102的基础上，分别加入一定量的铜、镁、镍、锰及稀土元素等，组成的多元铝-硅铸造合金。其中铝-硅-铜-镁系的ZL110和ZL108以及铝-硅-铜-镁-镍系的ZL109合金，是最常用的耐热铸造铝合金，主要用于制造活塞。铝-硅合金中加入铜和镁能形成CuAI2和Mg2Si以及W(AI5Mg5Cu4Si4）相，起强化作用，但镁量过高会出现粗大的过剩相Mg2Si，使合金变脆，并使合金的吸气性增加。锰能提高合金的耐热性。它在固溶体中的扩散系数很小，当合金凝固时锰被保留在固溶体中，起固溶强化作用，提高了固溶体在高温下的稳定性，从而提高合金的耐热性。锰还能形成具有高温硬度的T(CuMn2Al12)相，显著提高合金的热硬性。镍在合金中能形成具有热硬性的AI3Ni或〔CuNi）2AI3相，提高合金的热强度。在ZL109合金组织中主是α, Si, Mg2Si, AI3Ni等相。耐热铝合金的热处理必须保证在工作温度下具有高的组织与性能稳定性。因此，耐热铝合金固溶处理后，均采用人工时效处理。
GH684是一种高温合金。GH684的碳、硅含量极低，降低了焊接热影响区碳和其它杂质相的析出，因此其焊缝也具有足够的抗腐蚀性。GH684在还原性介质中具有很好的抗腐蚀性，如各种温度和浓度的盐酸溶液。在中等浓度的溶液（或者含有一定量的氯离子）中也具有很好的抗腐蚀性。同时也能用于醋酸和磷酸环境。合金材料只有在适宜的金相状态和纯净的晶体结构时才能具有好的耐腐蚀性。在化学、石化、能源制造和污染控制领域中有着广泛的应用，尤其是在、盐酸、磷酸、醋酸等工业中。GH684化学成份执行标准：GB/T 14992-2005
硅铝合金是用量最大的硅合金。硅铝合金是一种强复合脱氧剂，在炼钢过程中代替纯铝可提高脱氧剂利用率，并可净化钢液，提高钢材质量。硅铝合金密度小，热膨胀系数低，铸造性能和抗磨性能好，用其铸造的合金铸件具有很高的抗击冲击能力和很好的高压致密性，可大大提高使用寿命，常用其生产航天飞行器和汽车零部件。
高温合金GH4648镍基合金
GH4648应用概况及特性：
合金已用于制作先进航空发动机燃烧室部件及其他热端部件，批产和使用情况良好。相近牌号在国外航空发动机中已获得了极为广泛的应用。
合金的综合性能优于国内GH3044和GH3128性能水平。优于GH4648具有较GH3044更小的比重，所以该合金具有更高的比强度。
GH4648对应牌号：
GH4648 GH648 эп648
GH4648执行标准：
GB/T 14992 高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号
HB/Z140 航空用高温合金热处理工艺
辽新 7-0085 GH648合金饼材新产品技术条件
辽新 7-0068 GH648合金锻制和轧制棒材新产品技术条件
辽新 7-0079 GH648合金冷轧板材新产品技术条件
辽新 7-0084 GH648合金板材和带材新产品技术条件
Q/GYB 05061 GH648环坯技术协议
Q/3B 1143 GH4648合金焊丝
GH4648热处理制度：
摘自HB/Z140，辽新7-0085、辽新7-0068、辽新70079、辽新7-0084和Q/GYB 5061，各品种的标准热处理制度为:
a)锻制和轧棒材，1150℃士20℃X1h/AC+900℃士20℃X16h/AC;
b)板材和带材，1140℃士10℃/AC+900℃土20℃X6h/AC，其中固溶保温时间为(1~2)min/mm;
c)饼材,环形件，1140℃士20℃X1h/AC+900℃士20℃X16h/AC。
GH4648物理性质：
密度：ρ=8.28g/cm3
GH4648熔化温度范围:
1336~1353℃
GH4648主要规格:
GH4648无缝管、GH4648钢板、GH4648圆钢、GH4648锻件、GH4648法兰、GH4648圆环、GH4648焊管、GH4648钢带、GH4648直条、GH4648丝材及配套焊材、GH4648圆饼、GH4648扁钢、GH4648六角棒、GH4648大小头、GH4648弯头、GH4648三通、GH4648加工件、GH4648螺栓螺母、GH4648紧固件。
一、灰铸铁的组织（1）铁素体灰铸铁——石墨化过程充分进行；（2）铁素体珠光体灰铸铁——第一、二阶段石墨化过程充分进行，第三阶段石墨化过程部分进行；（3）珠光体灰珠铁——第一、二阶段石墨化过程充分进行，第三阶段石墨化过程完全没有进行；二、灰铸铁的性能特点（1）力学性能 灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性和弹性模量远比相应基体的钢低石墨片的数量愈多，尺寸愈粗大，分布愈不均匀，对基体的割裂作用和应力集中现象愈严重，则铸铁的强度、塑性与韧性就愈低。由于灰铸铁的抗压强度σbc、硬度与耐磨性主要取决于基体，石墨的存在对其影响不大，故灰铸铁的抗压强度一般是其抗拉强度的3~4倍同时，珠光体基体比其它两种基体的灰铸铁具有较高的强度、硬度与耐磨性。（2）其它性能 石墨虽然会降低铸铁的抗拉强度、塑性和韧性，但也正是由于石墨的存在，使铸铁具有一系列其它优良性能①铸造性能良好 由于灰铸铁的碳当量接近共晶成分，故与钢相比，不仅熔点低，流动性好，而且铸铁在凝固过程中要析出比容较大的石墨，部分地补偿了基体的收缩，从而减小了灰铸铁的收缩率，所以灰铸铁能浇铸形状复杂与壁薄的铸件②减摩性好 减摩性是指减少对偶件被磨损的性能灰铸铁中石墨本身具有润滑作用，而且当它从铸铁表面掉落后，所遗留下的孔隙具有吸附和储存润滑油的能力，使摩擦面上的油膜易于保持而具有良好的减摩性所以承受摩擦的机床导轨、汽缸体等零件可用灰铸铁制造③减振性强 铸铁在受震动时，石墨能阻止震动的传播，起缓冲作用，并把震动能量转变为热能，灰铸铁减振能力约比钢大10倍，故常用作承受压力和震动的机床底座、机架、机床床身和箱体等零件，④切削加工性良好 由于石墨割裂了基体的连续性，使铸铁切削时容易断屑和排屑，且石墨对刀具具有一定润滑作用，故可使刀具磨损减少⑤缺口敏感性小 钢常因表面有缺口（如油孔、键槽、刀痕等）造成应力集中，使力学性能显著降低，故钢的缺口敏感性大灰铸铁中石墨本身已使金属基体形成了大量缺口，致使外加缺口的作用相对减弱，所以灰铸铁具有小的缺口敏感性。
(1)力学性能灰铸铁的组织相当于以钢为基体再加片状石墨。基体中含有比钢更多的硅、锰等元素，这些元素可溶入铁素体而使基体强化，因此其基体的强度与硬度不低于相应的钢。片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为零，可近似地把它看成是一些微裂纹，它不仅割裂了基体组织的连续性，缩小了基体承受载荷的有效截面，而且在石墨的尖端容易产生应力集中，当铸铁件受拉力或冲击力作用时容易产生脆断。因此，灰铸铁的抗拉强度、疲劳强度、塑性、韧性远比相同基体的钢低很多。铸铁中石墨片的数量越多、石墨片越粗大、分布越不均匀，对基体的割裂作用和应力集中现象越严重，则其抗拉强度、疲劳强度、塑性、韧性越低。灰铸铁的性能主要取决于基体的组织和石墨的数量、形状、大小及分布状况。由于灰铸铁的抗压强度、硬度与耐磨性主要取决于基体，石墨的存在对其影响不大，因此，灰铸铁的抗压强度、硬度与相同基体的钢相似。灰铸铁的抗压强度一般是其抗拉强度的3～4倍。(2)其他性能石墨虽然降低了灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性，但也正是由于石墨的存在，使铸铁具有一系列其他优良性能。1)优良的铸造性能。灰铸铁的熔点低，铸造时流动性好，收缩率小，铸造过程中不易出现缩孔、缩松现象，因此灰铸铁可以浇注出形状复杂的薄壁零件。2)良好的减振性能。灰铸铁中的石墨对振动可起缓冲作用，可阻止振动传播，并将振动能量转化为热能，故铸铁具有良好的减振性（铸铁的减振能力比钢大10倍左右），常用于承受压力和振动的机床底座、机架、机身和箱体等零件。3)良好的减摩性能。石墨本身是一种良好的润滑剂，在使用过程中石墨剥落后留下的孔隙具有吸附、储存部分润滑油的作用，使摩擦面上的油膜易于保持而具有良好的减摩性。所以承受摩擦的机床导轨、气缸体等零件可用灰铸铁制造。4)良好的可加工性。由于石墨割裂了基体组织的连续性，因此在切削过程中容易断屑和排屑，且石墨对刀具具有一定的润滑作用，使刀具磨损减少。5)较低的缺口敏感性。铸铁中的石墨就相当于其本身存在了许多微小的裂纹，从而减弱了外加缺口对铸铁的作用。
看下（材料化学前沿）吧~
灰铸铁中的碳主要以片状石墨的形式分布于金属基体中，其断口呈暗灰色，可把灰铸铁看作是钢的基体加上片状石墨组成，由于石墨的强度相对于金属基体来说是极小的，所以灰铸铁的组织可看作是钢的基体上存在着许多“裂纹”，因而它的抗拉强度、塑性和冲击韧度就大大降低。但由于灰铸铁中石墨是以片状存在的，因而它具有良好的耐磨性，消震性和切削加工性，并具有较高的抗压强度，故在工业上应用极广。
随着铁碳合金中含碳量的逐渐增加，强度硬度逐渐增加，塑性韧性逐渐降低
铁碳合金铁碳合金是钢和铁的总称，是工业上应用最广泛的合金。铁碳合金是以铁为基本元素，以碳为主加元素组成的合金。在液态时，铁和碳可以无限互溶。在固态时，碳溶于铁中形成固溶体。当含碳量超过碳在铁中的固态溶解度时，则出现金属化合物。此外，还可以形成由固溶体和金属化合物组成的机械混合物。下面分述铁碳合金在固态下出现的几种基本组织。● 铁素体铁素体是碳溶解在a－Fe中的间隙固溶体，常用符号F表示。它仍保持的体心立方晶格，其溶碳能力很小，常温下仅能溶解为0.0008％的碳，在727℃时最大的溶碳能力为0.02％。由于铁素体含碳量很低，其性能与纯铁相似，塑性、韧性很好，伸长率δ＝45％～50％。强度、硬度较低，σb≈250MPa，而HBS＝80。● 奥氏体奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体，常用符号A表示。它仍保持γ－Fe的面心立方晶格。其溶碳能力较大，在727℃时溶碳为ωc＝0.77％,1148℃时可溶碳2.11％。奥氏体是在大于727℃高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。奥氏体是没有磁性的。● 渗碳体渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，其化学式为Fe3C。渗碳体的含碳量为ωc＝6.69％，熔点为1227℃。其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高HBW＝800，塑性、韧性几乎为零，脆性很大。在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分布对铁碳合金的性能有直接影响。● 珠光体珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片装珠光体。用符号P表示，含碳量为ωc＝0.77％。其力学性能介于铁素体与渗碳体之间，决定于珠光体片层间距，即一层铁素体与一层渗碳体厚度和的平均值。● 莱氏体莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为ωc＝4.3％。当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示。在低于727℃时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称为变态莱氏体。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体，所以硬度高，塑性很差。
铬是不锈耐酸钢和耐热钢的主要合金元素。合金钢中含铬量若达到12%左右，在钢的表面便形成致密的铬的氧化物，使钢在氧化性介质中的耐蚀性发生突变而大大提高。铬、铝、硅等元素，能提高钢的抗氧化性和抗高温气体的腐蚀性能，但过量的铝和硅则会使钢的热塑性变坏。镍主要用来形成和稳定奥氏体组织，使钢获得良好的力学性能、耐蚀性能和工艺性能。钼能使不锈耐酸钢很快钝化，提高对含有氯离子的溶液及其他非氧化性介质的耐蚀能力。钛、铌通常用来固定合金钢中的碳，使它生成稳定的碳化物，以减轻碳对合金钢耐蚀性能的有害作用。铜和磷配合使用时，可提高钢的耐大气腐蚀性能。
铁碳合金组织变化的基本规律：随含碳量的增加，工业纯铁中的三次渗碳体的量增加；亚共析钢中的铁素体量减少；过共析钢中的二次渗碳体量增加；亚共晶白口铸铁的珠光体和二次渗碳量也减少，共晶渗碳体量增加；过共晶白口铁中的一次渗碳体和共晶渗碳体量增加。这个是一向铁碳合金的力学性能的根本原因。 并且随着冷却和加热的条件不同，铁碳合金的组织、性能都会大不相同。
其实所有的板材热轧冷轧区别都是一样的，所以只要了解热轧和冷轧的区别就行了，一般特别薄的是冷轧，一般Q345的都是热轧的，呵呵 热轧和冷轧都是型钢或钢板成型的工序，它们对钢材的组织和性能有很大的影响，钢的轧制主要以热轧为主，冷轧只用于生产小号型钢和薄板。 热轧的优点是可以破坏钢锭的铸造组织，细化钢材的晶粒，并消除显微组织的缺陷，从而使钢材组织密实，力学性能得到改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使钢材在一定程度上不再是各向同性体；浇注时形成的气泡、裂纹和疏松，也可在高温和压力作用下被焊合。 缺点一是经过热轧之后，钢材内部的非金属夹杂物（主要是硫化物和氧化物，还有硅酸盐）被压成薄片，出现分层（夹层）现象。分层使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂。焊缝收缩诱发的局部应变时常达到屈服点应变的数倍，比荷载引起的应变大得多。 二是不均匀冷却造成的残余应力。残余应力是在没有外力作用下内部自相平衡的应力，各种截面的热轧型钢都有这类残余应力，一般型钢截面尺寸越大，残余应力也越大。残余应力虽然是自相平衡的，但对钢构件在外力作用下的性能还是有一定影响。如对变形、稳定性、抗疲劳等方面都可能产生不利的作用。 冷轧是指在常温下，经过冷拉、冷弯、冷拔等冷加工把钢板或钢带加工成各种型式的钢材。优点是成型速度快、产量高，且不损伤涂层，可以做成多种多样的截面形式，以适应使用条件的需要；冷轧可以使钢材产生很大的塑性变形，从而提高了钢材的屈服点。 缺点一是虽然成型过程中没有经过热态塑性压缩，但截面内仍然存在残余应力，对钢材整体和局部屈曲的特性必然产生影响。 二是冷轧型钢样式一般为开口截面，使得截面的自由扭转刚度较低。在受弯时容易出现扭转，受压时容易出现弯扭屈曲，抗扭性能较差。 三是冷轧成型钢壁厚较小，在板件衔接的转角处又没有加厚，承受局部性的集中荷载的能力弱。 热轧和冷轧的主要区别是： 1、 冷轧成型钢允许截面出现局部屈曲，从而可以充分利用杆件屈曲后的承载力；而热轧型钢不允许截面发生局部屈曲。 2、热轧型钢和冷轧型钢残余应力产生的原因不同，所以截面上的分布也有很大差异。冷弯薄壁型钢截面上的残余应力分布是弯曲型的，而热扎型钢或焊接型钢截面上残余应力分布是薄膜型 。 3、热轧型钢的自由扭转刚度比冷轧型钢高，所以热轧型钢的抗扭性能要优于冷轧型钢。
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论高电化学性能聚苯胺纳米纤维/石墨烯复合材料的合成
石墨烯是一种二维单原子层碳原子SP2杂化形成的新型碳材料，因其非凡的导电性和导热性、极好的机械强度、较大的比表面积等特性，引起了国内外研究者极大的关注.石墨烯已经被探索应用在电子和能源储存器件、传感器、透明导电电极、超分子组装以及纳米复合物[8]等领域中.而rGO因易聚集或堆叠而导致电容量较低(101 F/g)[9]，这限制了其在超级电容器电极材料领域的应用.
另一方面，PANI作为典型的导电高分子之一，由于合成容易，环境稳定性好和导电性能可调等特性备受关注.具有纳米结构的导电材料，由于纳米效应不但能提高材料固有性能，并开创新的应用领域.PANI纳米结构的合成取得了许多的成果.PANI作为超级电容器电极材料因具有高的赝电容，其电容量甚至可高达3 407 F/g[10];然而，当经过多次充放电时PANI链因多次膨胀和收缩而降解导致其电容损失较大.碳材料具有高的导电性能和稳定的电化学性能，为了提高碳材料的电化学电容和PANI电化学性能的稳定性，人们把纳米结构的PANI与碳材料复合以期获得电容较高且稳定的超级电容器电极材料[11].
作为新型碳材料的石墨烯和PANI的复合引起了极大的关注[12].但是用Hummers法合成的GO直接与PANI复合构建PANI/GO复合电极因导电率低而必须还原GO，化学还原剂的加入虽然还原了部分GO而提高了导电性能，但也在一定程度上钝化了PANI [13]，另外排除还原剂又对环境造成一定程度的污染.因而开拓一条简单且环境友好的制备PANI/rGO复合材料作为超级电容器的电极路线仍然是一个难题.
基于以上分析，首先使PANI和GO相互分散和组装，借助水热反应这一绿色环境友好的还原方法制备PANI/rGO复合材料，以期获得高性能的超级电容器电极材料.
1实验部分
1.1原材料
苯胺(AR， 国药集团)，经减压蒸馏后使用;氧化石墨烯(自制);过硫酸铵(APS， AR， 湖南汇虹试剂);草酸(OX， AR， 天津市永大化学试剂);十六烷基三甲基溴化铵(CTAB， AR， 天津市光复精细化工研究所).
1.2PANIF的制备
PANIF的制备按我们先前提出的方法 [14]，制备过程如下：把250 mL去离子水加入三口烧瓶后，依次加入1.82 g CTAB，0.63 g 草酸以及0.9 mL苯胺，在12 ℃水浴上搅拌8 h;随后，往上述溶液中一次性加入20 mL含苯胺等量的过硫酸铵水溶液，同样条件下使反应保持7 h.所制备的样品用大量去离子水洗涤至滤液为中性，随后30 ℃真空干燥24 h. 1.3GO的制备
采用Hummers法制备GO，具体过程如下：向干燥的2 000 mL三口烧瓶(冰水浴)中加入10 g天然鳞片石墨(325目)，加入5 g硝酸钠固体，搅拌下加入220 mL浓硫酸，10 min后边搅拌边加入30 g高锰酸钾，在冰水浴下搅拌120 min，再将三口烧瓶移至35 ℃水浴中搅拌180 min，然后向瓶中滴加460 mL去离子水，同时将水浴温度升至95 ℃，保持95 ℃搅拌60 min，再向瓶中快速滴加720 mL去离子水，10 min后加入80 mL双氧水，过10 min后趁热抽滤.将抽干的滤饼转移到烧杯中，加大约800 mL热水及200 mL浓盐酸，趁热抽滤，随后用大量去离子水洗涤直至中性.所得产品边搅拌边超声12 h后5 000 r/min下离心10 min，得氧化石墨烯溶液.
1.4PANIF/rGO复合材料制备
按照一定比例将含一定量的PANIF液与一定量的6.8 mg/mL 的GO溶液混合，使混合液总体积为30 mL， GO在混合液中的最终浓度为0.5 mg/ mL，磁力搅拌10 min后，将混合液转移到含50 mL聚四氟乙烯内衬的反应釜中进行水热反应，在180 ℃保温3 h;待反应釜自然冷却至室温后取出，用去离子水洗涤产物直至洗液无色后，于60 ℃真空干燥24 h，待用.按照上述步骤制备的PANIF与GO的质量比分别为5，10以及15，相应命名为PAGO5，PAGO10和PAGO15，对应的PANIF质量为75 mg，150 mg和225 mg.
1.5仪器与表征
用日本日立公司S4800场发射扫描电镜(SEM)分析样品的形貌;样品经与KBr混合压片后，用Nicolet 5700傅立叶红外光谱仪进行红外分析;用德国Siemens公司Xray衍射仪进行XRD分析;电化学性能测试使用上海辰华CHI660c电化学工作站.
电极制备和电化学性能测试：将活性物质(PANIF或PANIF/rGO)、乙炔黑以及PTFE按照质量比85∶10∶5混合形成乳液，将其均匀地涂在不锈钢集流体上，在10 MPa压力下压片，之后烘干得工作电极.在电化学性能测试过程中，使用饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极，铂片(Pt)作为对电极，在三电极测试体系中使用1 M H2SO4作为电解液进行电化学测试，电势窗为-0.2～0.8V.
比电容计算依据充放电曲线，按式(1)[15]计算：
Cs=iΔtΔVm.(1)
式中：i代表电流，A;Δt代表放电时间，s;ΔV代表电势窗，V;m代表活性物质质量，g.
2结果与讨论
2.1形貌表征
图1为PANIF和PAGO10形貌的SEM图.低倍的SEM(图1(a))显示所制备PANIF为大面积的纳米纤维网络;高倍的图1(b)清晰地显现该3D纳米纤维网络结构含许多交联点.PANIF和PAGO10混合液经过水热反应后，从低倍的SEM(图1(c))可以看出，PAGO10复合物具有交联孔状结构;提高观察倍数(图1(d)和图1(e))后可以发现样品中rGO 与PANIF共存;而高倍的图1(d)清晰地显示出了rGO与PANIF紧密结合，且合成的褶皱rGO因层数较少而能观察到其遮盖的PANIF.从图1可知：成功合成了大面积的PANIF以及互相均匀分散的PANIF/rGO复合材料.
2.2FTIR分析
图2为PANIF，GO以及PAGO10 3种样品的FTIR图.图2中a曲线在1 581 cm-1，1 500 cm-1，1 305 cm-1，1 144 cm-1，829 cm-1等波数处展现的尖锐峰为PANI的特征峰，它们分别对应醌式结构中C=C双键伸缩振动、苯环中C=C双键伸缩振动、C-N伸缩振动峰、共轭芳环C=N伸缩振动、对位二取代苯的C-H面外弯曲振动.图2中b曲线为GO的红外谱图，在3 390 cm-1， 1 700 cm-1的峰分别对应-COOH中的O-H，C=O键振动，1 550～1 050 cm-1范围内的吸收峰代表COH/ COC中的C-O振动[16]，可以看出，GO中存在大量的含氧官能团.图2中c曲线为PAGO10复合物红外吸收谱图，与GO，PANIF谱图比较， 可以发现PAGO10中的GO特征峰不太明显而PANI的特征峰全部出现，这个结果归结于GO含量少以及GO经水热反应后形成了rGO，另外也表明水热反应对PANI品质无大的影响.
2.4电化学性能分析
图4为样品的CV曲线，其中图4(a)为不同样品在1 mV/s扫描速率下的CV图，可以看出，4个样品均出现明显的氧化还原峰，这归因于PANI掺杂/脱掺杂转变，表明PANIF以及复合物显示出优良的法拉第赝电容特性.图4(b)为PAGO10在不同扫描速率下的CV曲线，由图可知PAGO10电极的比电容随着扫描速率减小而稳步增加，在扫描速率为1 mV/s时，PAGO10电极的比电容为521.2 F/g.
图5为PANI，PAGO5，PAGO10和PAGO15的充放电曲线以及交流阻抗图.图5(a)为电流密度为1 A/g时样品的放电曲线图，由图可知：4种样品均有明显的氧化还原平台，这与前述CV分析中的结果相吻合.根据充放电曲线，借助式(1)，计算了4种样品在不同电流密度下的比电容，结果如图5(b)所示，很明显，相同电流密度下PAGO10比电容最大，当电流密度为1 A/g时，其比电容为517 F/g，这个结果表明PAGO10的电化学性能明显优于PANI/石墨烯微球和3D PANI/石墨烯有序纳米材料(电流密度为0.5 A/g时，比电容分别为 261和495 F/g)[18-19]， 而PANIF比电容最小，仅为378 F/g;且在10 A/g电流密度下PAGO10的比电容仍保持在356 F/g 左右，这表明PAGO10电极具有优异的倍率性能.该复合材料比电容以及倍率性能得到极大提高源于rGO与PANIF两组分间的协同效应.在充放电过程中连接在PANIF间的rGO为电子转移提供了高导电路径;同时，紧密连接在rGO上的PANIF有效阻止水热还原过程中石墨烯的团聚，增加了电极/电解质接触面积，从而提高了PANIF的利用率而使得容量增加. 为了更清晰地了解所制备材料的电子转移特点以及离子扩散路径，对样品进行了交流阻抗测试，图5(c)为4个样品的Nyquist图.从图5(c)可知：在高频区、低频区均分别具有阻抗弧半圆、频响直线.在高频区，电荷转移电阻Rct大小顺序为RPAGO5
值说明rGO的加入提高了电极材料的导电性.在低频区，直线形状反映了样品电化学过程均受扩散控制，并且PAGO5所展现的直线斜率最大，说明其电容行为最接近理想电容，即频响特性最好，这也是源于rGO的加入提高了材料导电性以及复合物的独特微观结构.
氧化还原反应的发生，导致PANIF具有十分高的赝电容，但由于在大电流充放电过程中高分子链重复膨胀和收缩，导致其循环稳定性差而限制了其实际应用.为此，对ANIF和PAGO10进行循环稳定性分析.图6显示，PAGO10在5 A/g电流密度下经过1 000次充放电后，电容保持率为77%，而不含rGO的PANIF电极在2 A/g电流密度下充放电1 000次电容保持率仅为54.3%，这个结果表明PANIF循环稳定性较差;另外，rGO的加入形成的PANIF/rGO紧密的连接，降低了PANI链在充放电过程中的膨胀与收缩，使得链段不容易脱落或者断裂，从而PAGO10具有出色的循环稳定性.
3结论
采用自组装的方法，经水热反应，制备了PANIF/rGO复合电极材料.研究发现，rGO与PANIF紧密连接;而且，当PANIF与GO质量比为10∶1时，复合材料展现了最佳的电化学性能，当电流密度为1和10 A/g时，其比电容分别为517， 356 F/g.从上可知：合成的PAGO10具有高的比电容、较好的倍率性能和稳定性能，从而有望作为超级电容器电极材料在实践中应用.
浅谈水泥窑用新型环保耐火材料的研制及应用
1 概述
随着新型干法水泥生产技术在我国的迅速普及，我国水泥工业得到飞速发展，2012年，水泥总产量达21.8亿吨，占世界总产量55%左右。在20世纪六、七十年代，镁铬质耐火材料因具有良好的挂窑皮和抗水泥熟料的化学侵蚀性能，而被广泛应用于新型干法水泥窑的烧成带[1]，并取得了良好的使用效果，但由于镁铬砖在使用过程中砖内的Cr2O3组分与窑气、窑料中的碱、硫等相结合，形成有毒的Cr6+化合物[2]。再加上原燃料中所带入的硫，碱与硫共存时形成另一种水溶性Cr6+有毒性致癌物质：R2(Cr，S)O4。水泥窑在正常运转中，其窑衬中镁铬砖内的一部分Cr6+化合物随着窑气和粉尘外逸，飘落在厂区及周边环境中，造成厂区大气的污染; 另一部分则残留在拆下的废砖中，废弃的残砖一遇到水就会造成地下水的污染;更直接的危害是在水泥窑折砖和检修作业时，窑气和碎砖粉尘中的Cr+6会给现场人员造成毒害，据有关专家论证，Cr6+腐蚀皮肤，使人易患上大骨病，进而致癌。因此，镁铬质耐火材料作为水泥窑内衬会对环境和人类造成长期污染和公害。
发达工业国家在水源、环境和卫生方面有着一系列配套的规范，其中德国对水泥厂预防“铬公害”的规定最普遍，执行也是最严格的，具体内容如表1所示：
我国于1988年4月颁布国家标准GB3838-88，对地面水中Cr6+含量进行明确规定，如表2所示：
这就使得水泥企业在使用镁铬砖做水泥窑内衬投入的环保费用加大，特别是用过镁铬残砖处理费用非常昂贵，因此，水泥窑用耐火材料无铬化是必然的发展趋势。
2 水泥窑烧成带新型环保耐火材料的研制
2.1 研制思路
目前，用于水泥回转窑烧成带的无铬环保耐火材料主要有镁白云石砖和镁铝尖晶石砖。镁白云石砖对水泥熟料具有良好的化学相容性和优良的挂窑皮性，但是抗热震性差，抗水化性差;镁铝尖晶石砖具有良好的抗热震性和抗侵蚀性，但是挂窑皮性差[3，4]。镁砖中引入铁铝尖晶石制成的第二代新型环保耐火材料―新型环保耐火材料，结构韧性好，抗碱盐及水泥熟料侵蚀能力强，具有良好的挂窑皮性能，在烧成带能有效延长使用寿命，是目前适合我国国情的新一代水泥窑烧成带用无铬耐火材料。但该产品的关键是铁铝尖晶石原料的合成、加入量、加入方式及有关工艺条件对制品性能的影响。
2.2 试验与研究
2.2.1 铁铝尖晶石的合成。铁铝尖晶石是一种自然界少有的矿物，化学分子式为FeAl2O4，其中含58.66%A12O3和41.34%FeO。铁铝尖晶石为立方体结构，二价阳离子占据四面体位置，三价阳离子填充在由氧离子构成的面心立方中。其理论密度为4.39g/cm3，莫氏硬度为7.5。要形成铁铝尖晶石，必须保证氧化亚铁(FeO或FeOn)是处于其稳定存在的条件下。只有在FeO能稳定存在的区域内，才能保证与Al2O3形成的化合物是FeO? Al2O3尖晶石，而在FeO稳定存在的区域以外的条件下，铁的氧化物与Al2O3作用得到的产物很难说是FeO?Al2O3尖晶石，而可能是含有大量或主要是Fe2O3-Al2O3的固溶体[5]。FeOn- Al2O3的系相图如图1所示：
为了得到高质量的合成铁铝尖晶石，我们特聘请了欧洲知名耐材专家进行专业技术指导，经过大量试验，掌握了烧结合成铁铝尖晶石的关键技术，为生产达到国际水平的新型环保耐火材料打下了良好的基础。在生产中把FeO与Al2O3按一定比例混合均匀后压制成荒坯，在保证“FeO”稳定存在的气氛下，经高温烧成，制得FeO? Al2O3尖晶石含量为97%以上的烧结铁铝尖晶石。产品衍射如图2所示：
2.2.2 原料与制品的性能 ①原料的选择。根据我们的生产经验，结合水泥窑烧成带对耐火材料的要求，我们选用优质镁砂、合成尖晶石为原料，并加入特殊添加剂来强化制品的性能，研制生产出第二代无铬镁尖晶石砖―新型环保耐火材料。所用原料理化指标如表3所示。②制品的性能。将原料破碎成所需的粒度，采用四级配料，经强力混碾、高压成型、高温烧成。产品的显微结构见图3，产品理化指标与国外同类产品对比情况如表4所示。
2.2.3 铁铝尖晶石对制品性能的影响 ①铁铝尖晶石加入量对制品耐压强度的影响。从图4可以看出：随着铁铝尖晶石增加制品的耐压强度呈现出先升后降的趋势，这是由于铁铝尖晶石与镁砂互溶的结果，铁铝尖晶石的加入量在10%时，制品的强度达到最大值。②铁铝尖晶石加入形式对制品抗热震性能的影响。从实验结果表5可以看出：以颗粒形式加入铁铝尖晶石制品的抗热震性比以细粉形式加入铁铝尖晶石制品相对较好。
2.3 产品的性能
2.3.1 结构韧性好、热震稳定性优良。新型环保耐火材料在烧成及使用过程中Fe2+离子扩散进入周边的氧化镁基质中，同时部分Mg2+离子扩散进入铁铝尖晶石颗粒，与铁铝尖晶石分解残留的氧化铝反应生成镁铝尖晶石，这一活化效应使制品在烧成或使用过程中，内部形成大量的微裂纹，重要的是铁铝尖晶石的分解过程、Fe2+离子和Mg2+离子的相互扩散在高温下持续进行，使得MgO-FeAl2O4耐
火材料在整个高温使用过程中，可以形成大量的微裂纹，这些微裂纹的存在有利于缓冲热应力、提高制品的结构柔韧性和热震稳定性。
2.3.2 强度高。从制品显微结构可以看出：制品内部铁铝尖晶石与高纯镁砂互溶，结构非常均匀致密，晶粒发育良好，颗粒与基质间通过晶间尖晶石相连接，结合良好，明显的提高了砖的密度和高温强度。
2.3.3 具有良好的粘挂窑皮性能。在使用过程中，制品中的Fe2O3与Al2O3都易与水泥熟料中的CaO反应生成C2F、C4AF等低熔点矿物，该矿物具有一定的粘度，可牢固粘附在新型环保耐火材料的热面，形成稳定的窑皮。我们把新型环保耐火材料和直接结合镁铬砖分别制成40mm×40mm×60mm样块，用90%水泥生料+5%煤粉+5%K2SO4，压制成Φ30×10mm圆饼，把圆饼放在两个样块中间，放入电炉内加热，温度升到1500℃，保温3小时，冷却后测其抗折强度，二者基本相同。由此可见，新型环保耐火材料粘挂窑皮性能优良。
2.4 产品的应用
新型环保耐火材料自2012年研制成功投放市场以来，通过河北鹿泉曲寨水泥公司、宁夏瀛海天琛水泥公司、内蒙古哈达图水泥公司、陕西尧柏水泥集团、北方水泥集团、河南锦荣水泥公司、新疆天基水泥公司、安阳湖波水泥公司等二十多家大型水泥企业2500t/d、5000t/d、6500t/d水泥窑烧成带应用，寿命周期均达到12个月以上，受到用户认可。
3 结论