福州大学材料科学与工程学院材料制备与加工实验预习报告..doc

福州大学材料科学与工程学院材料制备与加工实验 预习报告 姓名 王振宇 学号 181400230 专业 创新实验班 实验项目 铝合金的熔炼与铸造 预习报告应包括下列主要内容： 一，实验原理 金属及合金的晶粒大小、形状和分布与凝固条件、合金成分及其加工过程有关，决定着材料的性能。金属熔炼是将金属材料加热到熔点以上，使其熔化为液态，在冷凝为固体的制取过程。通过对原材料的熔化、精炼提纯、合金化，以制备高质量的锭坯。金属及合金的晶粒大小、形状和分布与凝固条件、合金成分及其加工过程有关，决定着材料的性能。因此，铸锭凝固后的组织一般是不均匀的，这种不均匀性将引起金属材料性能的差异。实际生产中，铸锭不可能在整个截面上均匀冷却，并同时开始凝固。 1．金属的熔炼设备 最常用的熔炼设备有：冲天炉、电弧炉、感应电炉、坩锅炉等等。冲天炉主要用于熔炼铸铁，炉衬可以是酸性或碱性，酸性炉衬的冲天炉较多，并可分为用焦冲天炉和非焦(煤炭、油、天然气)冲天炉，是铸铁熔炉中应用极为广泛的一种。具有结构简单、设备费用少、电能消耗低、生产率高、成本低、操作和维修方便，并能连续进行生产等特点。电弧炉是利用电极与金属炉科之间电弧产生的热能通过辐射、传导和对流传递给炉科，加热、熔化固体炉料，并使金局液过热，从而实现熔炼目标的一种设备，主要用于钢、铸铁的熔炼。感应电炉分为无芯式和有芯式，主要用于铸铁、铸钢、铜合金、铝合金等的熔炼。其中无芯感应电炉比较常用。无芯感应电炉按照电磁感应加热原理进行工作，坩锅外的感应器线圈相当于变压器的原绕组，坩锅内的金属炉料相当于副绕组，当感应线圈通以交变电流时，则因交变磁场的作用使短路连接的金属炉料产生强大的感应电流，电流流动时，为克服金属炉料表面层的电阻而产生热量，致使金属炉料加热熔化。坩锅炉分为燃油、燃气、燃煤(焦炭)坩锅炉和电阻坩锅炉。主要广泛用于有色金属的熔化，如铜合金、铝合金、镁合金、低熔点轴承合金等。 2．金属的熔炼工艺 金属的熔炼工艺应满足以下的要求：熔炼出符合材质性能要求的金属液，而且化学成分的波动范围应尽量小；熔化并过热金属所需的高温；有充足和适时的金属液供应；低的能耗和熔炼费用；噪声和排放的污染物严格控制在法定的范围内。熔炼工艺包括选择合适的熔炼炉，进行金属熔化，同时进行成分控制。根据熔炼金属的性质，选择好熔炼炉。熔化主要有两种：无精炼熔化和精炼熔化两种。无精炼熔炼时原材料在具体的熔化过程中只有某些元素的少量变化。主要是低熔点合金的熔炼、轻金属的熔炼和高熔点合金的真空熔炼。而精炼熔炼是在熔化后对材料的成分进行较大的调整。主要是钢的熔炼。在金属熔炼时要确定合理的熔炼温度。如果金属液温度过低，在浇铸时金属液容易在充满型腔之前凝固，产生缺陷。而金属液的温度过高，易使金属和熔炼炉、型腔发生反应，产生缺陷。金属在熔化的过程中同时进行成分的调整和控制，注意对金属液的保护。 3．浇铸与铸锭结构 金属铸锭横断面的宏观组织一般是由三个晶区组成。由外向内依次分布为细晶粒区（外壳层）、柱状晶粒区和中心等轴晶粒区，如图 1-1 所示。 第一晶区是铸锭的外壳层，由细小等轴晶粒（枝晶）组成。把液体金属浇铸入铸型，结晶刚开始时，由于铸型温度较低，形成较大的过冷度，于是靠近型壁大量地形核，还由于铸壁不是光滑的镜面，晶粒长大时，各枝晶主轴很快彼此相互接触，使晶粒不能继续长大，所以晶粒的尺寸不大，即形成细晶粒。 第二晶区是柱状晶区。随着外壳层的形成，铸型变热，对液态金属的冷却作用减缓。这是只有处于结晶前沿的一层液态金属是过冷的。这个区域可以进行结晶，但一般不会产生新的晶核，而是以外壳层内壁上原有晶粒为基础进行长大。同时，由于散热是沿着垂直于模壁的方向进行，而结晶时每个晶粒的成长又受到四周正在长大的晶粒的限制，因而结晶只能沿着垂直于模壁的方向由外向里生长，结果形成彼此平行的柱状晶区。 第三晶区是铸锭的中心部分，随着柱状晶的发展，模壁温度进一步升高，散热愈来愈慢，而成长着的柱状晶前沿的温度又由于结晶潜热的放出而有所升高。这样这个截面的温度逐渐均匀。当剩余液态金属都过冷到熔点以下时，就会在整个残留的液态金属中，同时出现晶核进行结晶。在铸锭中心散热已无方向性，形成的晶核向四周各个方向自由生长，从而形成许多位向不同的等轴晶粒。 4．影响铸锭结构的因素 影响铸锭结构的因素主要为：浇铸的温度，铸型，孕育剂和外界机械作用等。当适当降低浇注温度时，柱状晶生长和晶粒粗化得到抑制，另—方面又可使游离晶粒在过热较小的液相中保留下来。不同的铸型对合金的凝固组织也有影响。当液态合金浇人冷却能力较弱的铸型中去时(比如砂型)，型壁的形核率将低于冷却能力较强的铸型(比如金属型)。当有孕育剂存在时可使晶粒得到细化。此外在合金凝固初期，对合金液施以振动、搅拌或旋转，都可以在液