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

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，都可以在液相中产生大量的游离晶体，使得等轴晶细化。图1-1金属铸锭组织的三个晶区：1.细晶区；2.柱状晶；3等轴晶二、实验设备、材料及试剂1．实验设备：(1)井式电阻炉2台（型号SG2-1.5-1.2，功率7.5千瓦，额定温度1200℃）。(2)铁质组合式模具1套。(3)石墨坩埚1个，坩埚钳2把，铁勺1把，铁质搅拌棒1根，毛刷1把，电子天平1台，金相切割机1台，金相砂纸若干，抛光布1张，抛光粉若干等。2．实验材料：纯度99.70%的纯铝A00，纯度99.66%的工业纯硅，纯度99.85%的工业纯镁若干。氧化锌，水玻璃，覆盖剂，精炼剂，除气精炼剂，清渣剂若干。三、实验方法与步骤1．坩埚、锭模及熔炼工具的准备本实验采用石墨坩埚。锭模为铁质组合式模具。熔炼工具包括搅拌棒、钟罩、坩埚钳和扒渣用铁勺。(1)坩埚、锭模和熔炼工具的清洁。使用前应检查坩埚、锭模和熔炼工具是否损坏，清除表面熔渣和其它脏物。(2)防护涂料的涂覆。锭模和熔炼工具清洁后需涂覆防护材料。涂料采用T03涂料，重量配比氧化锌：水玻璃：水=15：3：82。(3)涂料的配制：使用天平按配比称量涂料原料。涂料成分中的所有固体组元，配制前应磨碎，然后混合均匀。使用时，先将水玻璃倒入80～100℃的热水中搅拌均匀，加入固体组元后再搅拌均匀，冷却后备用。(4)坩埚、锭模和熔炼工具的除水。锭模和熔炼工具上完涂料后，放入电阻炉中预热到250℃，烘至黄色即可。石墨坩埚不用涂防护材料，直接放入电阻炉中预热到250℃，除去水分。2．合金熔炼原料准备本实验所要熔炼的铝合金为ZL101（ZALSi7Mg），化学成分为含硅量7%，含镁量0.4%，余量为Al。(1)原料性能：原料采用纯度99.70%的A00纯铝，纯度99.66%的工业纯硅，纯度99.85%的工业纯镁。其中纯铝为小铝锭，工业纯硅和工业纯镁均为小块状。(2)原料配比计算原料配比时，要考虑到硅和镁的烧损量。熔炼ZL101铝合金时，硅的经验烧损量为5%，镁的经验烧损量为10%。所熔合金的重量根据坩埚的大小来定。以熔炼1kgZL101铝合金为例。MAl=92.6%*M合金=92.6%*1000g=926gMSi=7%*M合金*（1+硅的烧损量）=7%*1000g*（1+5%）=73.5gMMg=0.4%*M合金*（1+镁的烧损量）=0.4%*1000g*（1+10%）=4.4g(3)原料除水：熔炼前，将工业硅和纯镁用铝箔包好，放入电阻炉预热到250℃，除去水分备用。(4)添加剂除水：熔炼前，将本实验熔炼过程所使用的各种添加剂用铝箔包好，放入电阻炉预热到250℃，除去水分备用。本实验所使用的添加剂有：覆盖剂（主要成分包含氟氯酸钠、氯化钠、氯化钾等），精炼剂（主要成分包含氟氯酸钠、氯化钠、氯化钾、氟硅酸钠和氟硅酸钾等），除气精炼剂（主要成分包含氟硅酸钠和六氯乙烷等），清渣剂（主要成分包含氟氯酸钠、氯化钠、氯化钾、氟硅酸钠和氟硅酸钾等）。3．合金的熔炼(1)原料的熔炼：第一步，熔铝。把小铝锭放入坩埚中，炉子升温到750℃，保温30min，保证铝锭完全熔化。保温过程中，不时打开炉盖观察铝锭熔化情况。当表面的铝锭出现部分熔化时，散些覆盖剂防止铝液氧化。当表面全是铝液时，往铝液裸露部分继续散些覆盖剂防氧化。保温结束后，用搅拌棒（切记搅拌棒必须是涂过涂料预热过的）轻缓的搅拌一分钟后再静置两分钟。第二步，熔硅。观察熔液表面的渣料是否过多，若过多，用铁勺（切记铁勺必须是涂过涂料预热过的）把熔液表面的渣料扒除一些。然后用坩埚钳把预热除水过的用铝箔包裹的纯硅轻轻压入熔液下。接着用钟罩压住纯硅，使其保持在熔液里。观察熔液表面情况，若有裸露部分，散些覆盖剂防氧化。保温30min，保证纯硅完全熔化。保温结束后，用搅拌棒轻缓的搅拌一分钟后再静置两分钟。第三步，熔镁。观察熔液表面的渣料是否过多，若过多，用铁勺把熔液表面的渣料扒除一些。然后用坩埚钳把预热除水过的用铝箔包裹的纯镁轻轻压入铝液下。接着用钟罩压住纯镁，使其保持在熔液里。观察熔液表面情况，若有裸露部分，散些覆盖剂防氧化。保温30min，保证纯镁完全熔化。保温结束后，用搅拌棒轻缓的搅拌一分钟后再静置两分钟。至此，合金原料的熔炼结束。(2)合金的精炼处理精炼剂的准备：本实验所用的精炼剂为粉末状，用量为所熔合金总重量的0.2%。使用前应在250℃的炉子里再次预热备用。精炼剂的添加：用坩埚钳把用铝箔包好的精炼剂轻轻放入熔液下，然后钟罩压住精炼剂，使其保持在熔液里反应。熔液表面若有裸露部分，散些覆盖剂防氧化。观察熔液中的反应情况，待熔液中无动静后，用搅拌棒轻轻搅拌一分钟后再静置两分钟即可。(3)合金的除气精炼除气精炼剂的准备：本实验所用的除气精炼剂为粉末状，用量为所熔合金总重量的0.2%。使用前应在250℃的炉子里再次预热备用。除气精炼剂的添加：用坩埚钳把用铝箔包好的除气精炼剂轻轻放入熔液下，然后钟罩压住除气精炼剂，使其保持在熔液里反应。熔液表面若有裸露部分，散些覆盖剂防氧化。观察熔液中的反应情况，待熔液中无气泡逸散出来后，用搅拌棒轻轻搅拌一分钟后再静置两分钟即可。(4)合金的清渣处理清渣剂的准备：本实验所用的清渣剂为粉末状，用量为所熔合金总重量的0.2%。使用前应在250℃的炉子里再次预热备用。清渣剂的添加：用坩埚钳把用铝箔包好的清渣剂轻轻放入熔液下，然后钟罩压住清渣剂，使其保持在熔液里反应。观察熔液中的反应情况，待熔液中无动静后，用搅拌棒轻轻搅拌一分钟后再静置两分钟即可。4．铝合金的浇注铝合金清渣处理后，调整到浇注温度700℃进行浇注。浇注前，用铁勺把熔液表面的渣料扒涂干净。(1)浇注前的准备工作：所有工具应经过清理、预热、涂料，使用前应再次预热。(2)浇注操作用坩埚钳操作坩埚进行浇注时，先用铁勺拨开坩埚壶嘴液面上的氧化皮或熔剂层，让干净的金属液缓慢地进入模具型腔。浇注温度的高低，要根据具体情况来决定，总的原则是保证铸件成型的前提下，浇注温度越低越好。浇注时，开始瞬间应略慢，防止金属液严重冲击型腔，紧接着应加快浇注速度，做到平稳而不中断液流。浇注快慢尚须视不同金属型而变化，操作者应积累经验，以便做到不冷隔、排气顺畅及不冲坏型芯。浇注的合金液应正好为铸件所需用量，如有剩余，应浇入备用模具中，禁止坩埚中残留合金液。浇注完毕，根据不同铸件，即时开模，做到不因开模过早损坏铸件，也不因过迟而产生脱模困难。取出铸件后，观察铸件是否合格，若有缺陷，应采取措施解决，直至合格为止。(3)浇注安全工作场地应平坦、整洁，道路畅通，场地上不得有积水，应有良好的通风措施。搬运金属型、浇注和取出铸件都应细心操作，防止碰伤和烫伤。金属液溢出型外时，应放干砂，以防爆炸伤人。5．金相制样将烧注后的铸锭，用金相切割机将铸锭沿横断面切开。要求从铸锭的一侧从上到下制备3~5个试样，并做好印记，然后制作金相试样，其步骤如下：(1)将试样用砂纸磨光，并抛光。(2)用水清洗后用苯除去油迹，再用酒精除去水渍并吹干。(3)用适当的浸蚀剂浸蚀。先用w(NaoH)＝40％水溶液浸蚀，如浸蚀不出，可改用王水(硝酸1份，盐酸3份)，时间3~5min。(4)浸蚀后在水中冲洗并吹干。6．铝铸锭的微观组织观察采用金相显微镜观察铝铸锭的微观组织结构，包括晶粒大小、形状及分布情况，各物相的组织结构，并注意观察缩孔、气泡的特征等。注意比较