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_精品文档Word格式文档下载.doc

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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=926g

MSi=7%*M合金*（1+硅的烧损量）=7%*1000g*（1+5%）=73.5g

MMg=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。

保温30min，保证纯镁完全熔化。

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%。

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。

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%。

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。

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