铸造工艺及设备

第一部份基础知识

第四章铸造工艺及设备

本章主要叙述铝及铝合金生产的基本原理，生产工艺（包括不同的生产方式），主要设备的基本结构及工作原理。

第一节铝及铝合金

第一单元铝及铝合金的性能与结晶组织

㈠铝及铝合金的性质及用途

铝是一种银白色金属，其原子序数为13，原子量为27，纯铝的熔点为660度，铝的化学性质十分活泼，在自然界中主要以化合物的形态存在，且分布极广，地壳中的铝的含量约为8%，仅次于氧和硅，居第三位。因铝在地壳中丰富的蕴藏量及其独特的优良特性。铝工业迅速发展，铝在各个领域得到广泛应用。

1．密度

纯铝在室温时密度为2.6987g/cm2，约为铜或铁铜或铁的三分之一。由于密度小于使铝在航天航空，交通运输等领域得到了广泛应用。不同纯度的铝在不同温度下密度略有不同。

2．导热性

铝的导热率高，在金属中仅次于银、金、铜居第四位，是铁的3倍，铜的55%，纯铝在0度时的导热率为。等重量的铝的导热量是铁的12倍，铜的2倍，因此，铝材是制造热交换器，发热动机部件与家庭手暖设施的良好材料。

3．热膨长系数

铝的热膨胀系数大，纯铝的体膨长系数为*10-6m3/，为不锈钢、铜、黄铜的15倍，是其应用的一项缺点。

4．导电性

铝导电性仅次于银、铜和金而居第四位，纯铝在20度时的导电率为*10-4Ω,等重量铝导线的导电量超过铜的2倍，因此铝被广泛应用于电线电缆工业中，铝箔大量用于制造电容器。

5．耐蚀性

铝及其合金表面，易生成一层致密，牢固的氧化铝保护膜，只有在卤素离子或碱离子的激烈作用下才会遭到破坏，因此，铝有很好的耐大气腐蚀和水腐蚀的能力，能抗多数酸及有机物腐蚀。

6．反射率

铝表面对红外线、紫外线、可见光线、激光、电波等有高的反射率，因此铝广泛用于制作光、热反射材料。

7．磁学性能

铝属弱磁材料，几乎不受电磁场影响，亦无磁性，因此在通讯、电子、超导材料及计算机领域是不可缺少的材料。

8．力学性能

铝合金的基本特征之一，是其常规力学性能随合金种类与状态不同，变化范围极宽，抗拉强度为50Mpa-800Mpa属服强度为10Mpa，伸长率为2%-50%。铝材的正弹性模量变化范围窄，为（7-8）*104Mpa，刚性大致与密度成比例，与合金成分及状态的关系不大，相同刚性的铝零件比钢件轻50%。铝及铝合金的疲劳强度较低，是其应用上的一个障碍。

根据不同种类合金的力学性能的特点，铝合金可用用来制作机械零件，建筑材料等。

9．超塑性能

铝合金具有良好的超塑性，铝—锂系与铝—镁—钪系合金是理想的航天航空材料。

10．其它性能

当铝合金的成份，组成，状态不同时，铝合金具有不同的高温性能，低温性能，工艺性能（成形性能，切削性能，焊接性能，锻造性能），在铝合金使用选材时应考虑这些因素的影响。

㈡金属材料的一般特性

金属材料从冶炼到作为成件使用以前，需要经过铸造，压力加工，热处理以及铆焊等一系列的工艺过程，它能否适应这些工艺过程中的要求，以及适应的程度如何，是决定它能否进行生产，或如何进行生产的重要因素。金属材料所具有的那种能够适应实际生产工艺要求的能力统称为工艺性能，例如铸造性、煅造性、弯曲性、切削性、焊接性等。

金属材料制作成工件后，在使用过程中，则要求它能适应或抵抗到它上面的各种外界作用，如力学、化学、辐射、电磁场以及冷热—温度的作用等。金属材料满足抵抗这些外界作用的能力统称使用性能，分别称力学性能，抗腐蚀性能（或化学性能）、电磁性能、耐热性能等。

工艺性能和使用性能是既有联系又不相同的两类性能，尽管它们都是金属材料本身蕴藏着的，但由于目的不同，它这两类性能上的好与坏或高与低，有时是一致的，有时都是互相矛盾的，金属材料性能方面具有多样性，多变性和特殊性，化学成分，原子集合体的结构及内部组织是决定金属材料性能的内在基本因素，金属材料性能方面的多变性，也正是通过这三个内在因素的多变性而表现出来的。

㈢金属及合金的结晶

金属和合金由液态转变为固态的过程称为凝固。凝固过程主要是晶体或晶粒的生成和长大过程，所以也称结晶，这个过程决定了金属和合金的铸态结构、组织和性能。

1．成份、组织、结构

成份是组成金属材料的各类元素的量，各金属材料之间性能的相对差别，即是由这量上的差异引起的。

结构是指原子集合体中各原子的具体组合状态。一个完整的晶粒是由同类的原子或不同比例的异类原子，按一定规律结合在一起，并可用严格的几何图案来表达出来。

组织是指用肉眼或借助于各种不同放大倍数显微镜所观察到金属材料内部的情景。组织一词的含义包括着晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。

晶粒是组成组织的类似生物学上的细胞的小单元，组织形态的复杂性是由这些小单元的形状、大小、相对数量和相对分布不同而产生的。

2．结晶的基本类型

金属在结晶过程中，要发生结构的变化，对于合金来说，同时还可能发生化学成份的变化。根据这个特点，理论上可将结晶分为两大类。

1）同分结晶，其特点是结晶过程中只发生结构的改组而无成分的变化。

2）异分结晶，其特点是在结晶过程中，成分和结构同时都发生变化，也称选分结晶，绝大部分合金属这一类。

根据结晶后的组织特点，将结晶分为以下两类

1）均晶结晶。其特点是结晶过程中只产生一种晶粒，结晶后的组织应由单一均匀晶粒组成。

2）非均晶结晶。其特点是结晶中时由液体中同时或先后形成两种或两种以上的成分和结构都不相同的晶粒。

3．结晶过程

结晶过程的宏观现象主要表现在：一是液体必须具有一定的过冷高，过冷是指实际结晶温度与其熔点的差值。二是结晶过程中伴随着潜热的释放，这种潜热等于或小于以一定