金属熔炼与铸锭 第二讲 有色金属及其合金
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金属熔炼与铸锭—第二章
有色金属及合金的熔炼与铸锭
第二章
1
冶金工程学院
第2章 有色金属及合金材料
主要内容
2.1 熔铸的基本任务 2.2 熔铸的基本要求 2.3 熔铸工艺规程制定
2
冶金工程学院
2.1 熔铸的基本任务
3
冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
4
冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
5
冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
2.3 熔铸工艺规程的制定
20
冶金工程学院
作业思考题
1.熔铸的基本任务是什么？ 2.熔铸的六点要求是什么？ 3.为什么在熔铸之前要制定熔铸工艺规程？
21
冶金工程学院
15
冶金工程学院
2.3 熔铸工艺规程的制定
水、电（油）、气、料
Байду номын сангаас
16
冶金工程学院
2.3 熔铸工艺规程的制定
17
冶金工程学院
18
冶金工程学院
• 铸造用(废钢熔解）里面的原材料覆盖剂在废钢熔炼过程 中覆盖在钢水表面，起到了保温、吸附夹杂物，防止钢水 氧化等作用。主要成分为C、CaO、SiO2、Al2O3等。对于 有特殊要求的，还要添加合金粉、膨胀材料等，以提高保 温、吸附夹杂的性能。 • 铸造熔炼精炼添加剂的作用及特性 熔炼精炼添加剂能加快 合金的熔化,降低熔化能耗,节省用电量,减 少电能耗损 净化 钢(铁)液,减少渣孔、气孔,提高铸件成品... • 打渣剂和清渣剂应该是一样的东西 铝合金在温度达到720度左右时加入精炼剂,用工具压到底 部缓慢移动直到不冒泡为止,主要是用来清除铝液中的氢 精炼后加入打渣剂,用工具充分搅拌后捞出渣子,主要是用 19 来清除铝液中的杂质 冶金工程学院 清渣结束后在表面撒上覆盖剂,防止空气中的氢进入铝液中
第二章
1
冶金工程学院
第2章 有色金属及合金材料
主要内容
2.1 熔铸的基本任务 2.2 熔铸的基本要求 2.3 熔铸工艺规程制定
2
冶金工程学院
2.1 熔铸的基本任务
3
冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
4
冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
5
冶金工程学院
2.2 熔铸的基本要求
2.3 熔铸工艺规程的制定
20
冶金工程学院
作业思考题
1.熔铸的基本任务是什么？ 2.熔铸的六点要求是什么？ 3.为什么在熔铸之前要制定熔铸工艺规程？
21
冶金工程学院
15
冶金工程学院
2.3 熔铸工艺规程的制定
水、电（油）、气、料
Байду номын сангаас
16
冶金工程学院
2.3 熔铸工艺规程的制定
17
冶金工程学院
18
冶金工程学院
• 铸造用(废钢熔解）里面的原材料覆盖剂在废钢熔炼过程 中覆盖在钢水表面，起到了保温、吸附夹杂物，防止钢水 氧化等作用。主要成分为C、CaO、SiO2、Al2O3等。对于 有特殊要求的，还要添加合金粉、膨胀材料等，以提高保 温、吸附夹杂的性能。 • 铸造熔炼精炼添加剂的作用及特性 熔炼精炼添加剂能加快 合金的熔化,降低熔化能耗,节省用电量,减 少电能耗损 净化 钢(铁)液,减少渣孔、气孔,提高铸件成品... • 打渣剂和清渣剂应该是一样的东西 铝合金在温度达到720度左右时加入精炼剂,用工具压到底 部缓慢移动直到不冒泡为止,主要是用来清除铝液中的氢 精炼后加入打渣剂,用工具充分搅拌后捞出渣子,主要是用 19 来清除铝液中的杂质 冶金工程学院 清渣结束后在表面撒上覆盖剂,防止空气中的氢进入铝液中
《熔炼与铸锭》课件
2
熔炼与铸造在实际应用中的应用
探索熔炼和铸造在各行各业的实际应用，如汽车制造和航空航天。
总结
熔炼与铸造的重要性
总结熔炼和铸造在材料加 工中的重要作用。
熔炼与铸造的发展趋 势
展望熔炼和铸造技术的未 来发展趋势。
展望未来熔炼与铸造 的发展前景
探索熔炼和铸造领域的未 来前景和新的发展方向。
铸造流程及铸造缺陷处理
了解铸造的具体流程，以及如 何处理铸造中的常见缺陷。
熔炼与铸造的关系
熔炼和铸造的区别与联系
比较熔炼和铸造的不同点和相互关系，深入理 解二者的作用。
熔炼与铸造的关联关系及作用
探索熔炼和铸造之间的联系及其在材料加工中 的重要作用。
实例分析
1
典型案例介绍
通过实例分析，展示熔炼和铸造在实际工程项目中的应用。
《熔炼与铸锭》PPT课件
欢迎来到《熔炼与铸锭》PPT课件！在这个课程中，我们将深入探讨熔炼和 铸锭的原理、设备、工艺以及其重要性和发展趋势。
熔炼原理
金属材料特点
了解金属材料的特性，为 熔炼过程做出合理选择。
熔炼基本原理
揭示熔炼是如何实现材料 物态转变的过程。
熔炼方式和分类
介绍不同的熔炼方式和分 类，如火法和电法熔炼。
回顾铸造技术的发展历史，从古代手工铸造到现代自动化铸造。
2 铸造材料分类
介绍铸造中常用的材料分类，如铸铁和铸钢。
3 铸造基本原理
揭示铸造是如何通过熔融金属注入模具，形成所需形状的工艺
了解常见的铸造方法，如砂铸 和压铸。
常见铸造设备介绍
介绍铸造中常用的设备，如模 具和液态金属处理设备。
熔炼设备与工艺
火法熔炼
探索使用火焰进行 熔炼的设备和工艺， 如高频感应炉和电 阻炉。
金属熔炼与铸锭 第一章 有色金属及合金材料 ppt课件
山西
河南 贵州
广西
中国铝土矿资源丰度属中等水平， 产地310处，分布于19个省(区)。总 保有储量矿石22.7亿吨，居世界第7 位。山西铝资源最多，保有储量占 全国储量41%；贵州、广西、河南 次之，各占17%左右。
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
15
铝工业发展简史
1746年，德国科学家波特用明矾制得
Si 0.40 0.15 0.10 0.12 0.12 0.1200
杂质
在晶界形成大尺寸的富铁 化合物，具有高的熔点，很 难再固溶过程中溶入基体， 降低合金性能
铝合金中的富铁化合物EDS分析结果
消耗了基体中的铜原子， 降低了合金的时效强化效果
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
21
纯铝
纯铝的牌号 L04
金属熔炼与铸锭
湖南科技大学 机电工程学院
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
1
金属熔炼与铸锭课程
简介
金属材料广泛应用于航海、航空、航天、汽车、 建筑、通讯、家电等领域,在国民经济中占有重要的 地位。
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
2
金属熔炼与铸锭课程
简介
包装绝用大铝箔多数的金属材料，是通过熔炼-铸造-塑性加 工的方法获得，铸锭成分及冶金质量是关系产品是
4#高纯铝 99.996%
L03 3#高纯铝 99.99%
L02 2#高纯铝
99.96%
L0 1#工业高纯铝
99.90%
L00 2#工业高纯铝
99.85%
L1
L2 … … L7
1#工业纯铝
2#工业纯铝
7 工业纯铝 #
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
22
力学性能
铝合金
铸造有色合金及其熔炼
THANKS
感谢观看
04
熔化
合金在高温下由固态变为液态 ，发生物理变化。
氧化
合金在熔炼过程中与空气中的 氧气发生化学反应，形成氧化
物。
脱气
去除合金中的气体，如氢气和 氧气。
成分调整
通过添加或去除合金元素，调 整合金的化学成分。
合金元素的熔炼行为
溶解
合金元素在液态合金中溶解， 形成固溶体。
析出
合金元素以化合物形式从液态 合金中析出。
铸造有色合金及其熔炼
• 引言 • 有色合金基础知识 • 铸造有色合金的制备工艺 • 有色合金的熔炼原理 • 铸造有色合金的性能优化 • 铸造有色合金的应用实例 • 未来展望与研究方向
01
引言
主题简介
铸造有色合金及其熔炼是材料科学和工程领域的重要分支，主要涉及有色金属的熔 炼、凝固、组织和性能调控等方面的研究。
热处理工艺优化
总结词
热处理工艺优化是铸造有色合金性能优 化的重要环节，通过调整热处理工艺参 数，可以改变合金的相组成、析出相的 形貌和分布，进一步提高合金的综合性 能。
VS
详细描述
热处理是铸造有色合金的重要加工工艺之 一，通过控制热处理工艺参数，如加热温 度、加热时间、冷却速度等，可以改变合 金的相组成和析出相的形貌和分布，从而 进一步提高合金的力学性能、耐腐蚀性和 热稳定性。同时，合理的热处理工艺还可 以降低能耗和减少材料浪费，提高经济效 益。
熔炼工艺优化
总结词
熔炼工艺优化是铸造有色合金性能优化的重要手段，通过改进熔炼技术和工艺参数，可以降低杂质元 素含量、减少气体和夹杂物、提高合金纯净度。
详细描述
熔炼工艺对铸造有色合金的性能具有显著影响。优化熔炼工艺参数，如熔炼温度、熔炼时间、搅拌强 度等，可以提高合金的纯净度和均匀性。同时，采用先进的熔炼技术和设备，如真空熔炼、高频感应 熔炼等，可以进一步降低杂质元素含量、减少气体和夹杂物，提高合金的综合性能。
有色金属加工-熔炼与铸锭..
金属液中气体的溶解与检测
熔体中溶解的气体：H2（70~90%）、CO2、 CO、N2、CnHm 气体的溶解机理：与金属有一定结合能力的气 体，都能不同程度溶解于金属熔体；与金属无 结合能力的气体，不溶解于金属熔体，只被吸 附 熔体中气体的危害：引起铸锭产生气孔或组织 疏松 气体含量测定：第一气泡法
铝合金牌号
铝合金牌号
1xxx系 2xxx系 3xxx系 4xxx系 5xxx系 6xxx系 7xxx系 8xxx系 9xxx系
镁合金牌号
产品牌号以英文字母加数字再加英文字母的形式表示 。前面的2位英文字母是其最主要的合金组成元素代 号(元素代号符合表1的规定)，其后的2位数字表示其 最主要的合金组成元素的大致含量。最后面的一个英 文字母为标识代号，用以标识各具体组成元素相异或 元素含量有微小差别的不同合金
火焰炉
感应炉
熔炼炉的结构
电阻反射式熔炼炉：通 过电热体放出的热量加 热炉顶和炉墙，热量再 由炉顶、炉墙以辐射方 式传递给被加热的物料， 使之不断升温熔化 固定式方形电阻反射炉 结构：炉壳、炉基、炉 底、炉墙、炉顶、炉温 控制和测量系统
静置炉
用于接受在熔炼炉中熔炼好的熔体，并在其中 进行精炼、静置和调整熔体温度，在铸造过程 中对熔体起保护作用 电阻反射炉作静置炉
确定炉料组成和配料比的基本原则
炉料组成：构成炉料的各个品种和每个品种的 品位 配料比：一炉炉料中每一种炉料所占的比例 原则：
成分原则 质量原则 工艺原则 经济原则 物料平衡原则
第二部分熔炼与铸锭
线收缩率：
L
L0 L1 L1
100%
其中 V0，L0表示铸件在高温T0时的体积和一维方向的长度；
V1，L1表示铸件在高温T1时的体积和一维方向的长度。
三 铸锭缺陷
缩孔：
定义：缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件
的厚大部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。
产生原因：
先凝固区域堵 住液体流动的 通道，后凝固 区域收缩所缩 减的容积得不 到补充。
工艺过程：如右图所示。
特点和应用：
1、冷却速度快，组织致密， 机械性能好；
2、工艺简单，生产效率高； 3、适于横截面一定的钢材、
铝材和铸铁管等铸件的生产。
连续铸造工艺过程示意图
五、凝固理论的实际应用举例
一、铸锭（铸件）的宏观组织控制：三层典型组
织 1.激冷层（表面细晶区） 2.柱状晶区3.中心等轴晶区
例：三个成份相同，但铸造温度和 铸模材料不同的铸件得到三种横截 面： A.粗等轴晶 B.细等轴晶 C. 典型三层晶带组织，试解释为何产 生不同的组织。
A 高的浇注温度，导热性差的砂模
B 低的浇注温度,导热性差的砂模
C 适中的浇注温度,导热性好的砂模
铸锭的宏观组织控制：控制晶粒的大小
a.增加过冷度 过冷度增大，N/V0增加 实际结晶时，过冷度是由冷却速度来控制的
裂纹与变形：
在铸锭的固态收缩阶段会引起铸造应力。
铸造应力：
铸造应力
铸锭收缩受阻
机械应力
锭铸因V冷却、温度不同， 各部位收缩不一致产生
铸锭组织发生相变时，因温 度差异出现体积变化不一致
热应力 相变应力
四 连续铸造：
定义：是指将熔融金属连续不断地浇注到被成为结晶
有色金属熔炼与铸锭资料课件
2023 WORK SUMMARY
有色金属熔炼与铸锭 资料课件
REPORTING
CATALOGUE
• 有色金属熔炼基础
PART 01
有色金属熔炼基础
熔炼的基本概念
熔炼定义
熔炼是有色金属生产中重要的一步，它涉及到将原料加热至熔融状态，通过化学反应和 物理作用，将杂质去除并使金属或合金成分均匀混合的过程。
铸锭的结晶过程
01
02
03
结晶过程
金属熔体在冷却过程中， 原子或分子的排列从无序 状态逐渐变为有序状态， 形成晶体的过程。
结晶温度
金属熔体结晶速率
结晶过程中晶体生长的快 慢，受到冷却速率、过冷 度等因素的影响。
铸锭的宏观组织形成与控制
宏观组织
铸锭中晶体的分布、大小、 形状等宏观特征。
反应的可能性与方向，而动力学则研究反应速率与过程控制因素。
熔炼过程中的热力学与动力学
热力学在熔炼中的应用
热力学的主要任务是研究熔炼过程中能量的转化与物质平衡的问题。通过热力学分析，可 以确定熔炼过程的自发性和方向，以及反应的标准摩尔焓变、熵变等参数。
动力学对熔炼过程的影响
动力学研究反应速率和反应机制的问题。在熔炼过程中，动力学因素决定了反应的快慢和 进行的程度。通过控制熔炼温度、搅拌速率等参数，可以调节反应速率，优化熔炼过程。
微观偏析
金属熔体在结晶过程中，由于溶质再分配导致晶 体内部化学成分的不均匀性。
PART 04
有色金属熔炼与铸锭中的 问题及解决策略
杂质与夹杂物的控制
控制方法
选用纯净的原材料，加强原材料 的保管和运输，采用合理的熔炼 和浇注工艺，以及进行有效的精 炼处理。
实例
采用电渣重熔、真空熔炼等方法 去除杂质与夹杂物，提高金属纯 净度。
有色金属熔炼与铸锭 资料课件
REPORTING
CATALOGUE
• 有色金属熔炼基础
PART 01
有色金属熔炼基础
熔炼的基本概念
熔炼定义
熔炼是有色金属生产中重要的一步，它涉及到将原料加热至熔融状态，通过化学反应和 物理作用，将杂质去除并使金属或合金成分均匀混合的过程。
铸锭的结晶过程
01
02
03
结晶过程
金属熔体在冷却过程中， 原子或分子的排列从无序 状态逐渐变为有序状态， 形成晶体的过程。
结晶温度
金属熔体结晶速率
结晶过程中晶体生长的快 慢，受到冷却速率、过冷 度等因素的影响。
铸锭的宏观组织形成与控制
宏观组织
铸锭中晶体的分布、大小、 形状等宏观特征。
反应的可能性与方向，而动力学则研究反应速率与过程控制因素。
熔炼过程中的热力学与动力学
热力学在熔炼中的应用
热力学的主要任务是研究熔炼过程中能量的转化与物质平衡的问题。通过热力学分析，可 以确定熔炼过程的自发性和方向，以及反应的标准摩尔焓变、熵变等参数。
动力学对熔炼过程的影响
动力学研究反应速率和反应机制的问题。在熔炼过程中，动力学因素决定了反应的快慢和 进行的程度。通过控制熔炼温度、搅拌速率等参数，可以调节反应速率，优化熔炼过程。
微观偏析
金属熔体在结晶过程中，由于溶质再分配导致晶 体内部化学成分的不均匀性。
PART 04
有色金属熔炼与铸锭中的 问题及解决策略
杂质与夹杂物的控制
控制方法
选用纯净的原材料，加强原材料 的保管和运输，采用合理的熔炼 和浇注工艺，以及进行有效的精 炼处理。
实例
采用电渣重熔、真空熔炼等方法 去除杂质与夹杂物，提高金属纯 净度。
有色金属熔炼与铸造02
有色金属熔炼与铸锭
王华 工学院材料系
第二章 熔体净化技术
熔体净化技术
本章要点: 介绍熔体净化的基本原理和对应的净化处理技术， 包括： (1) 熔体脱气和除渣精炼的几种基本原理； (2) 铝、镁、铜合金熔体净化处理技术； (3) 不同金属的熔体保护措施。
第一节 熔体净化原理
4
除渣精炼
氧化夹杂
非金属夹杂物的种类和来源
金属中的非金属化合物，如氧化物、氮化物、 等，统称为非金属夹杂物，一般简称为夹杂或 夹渣。
形成的夹渣若不在浇 根据夹渣的形态可分为：薄膜状、团状和颗粒 注前去除，将在铸锭 状。 中形成氧化夹杂。
夹渣的来源不同分为：外来夹渣和内生夹渣。
如，铝镁合金常见的有Al2O3、MgO、SiO2等 ，铜合金、镍合金中通常为Cu2O、NiO、ZnO 、SnO2、SiO2、Al2O3等，钢铁中有硫化物、 氢化物等。
除渣精炼
• 静置澄清除渣（密度差作用）
当金属熔体在高温静置时，非金属夹杂物与金属熔体比重不同 因而产生上浮或下沉。球形固体夹杂颗粒在液体中下沉或上浮的 速度服从Stokes定律： 2 g ( 2 1 ) 2 v r 9 T ↑ ，η↓，则：v↑，τ↓ 上升或下沉时间：
9 H 2 2r ( 2 1 ) g
方法一：分压差脱气
气体溶解度与金属液/气体接触处该气体分 压的平方根成正比。
S K1 P
K1 S0 exp[H / 2RT ]
K1:与金属及溶解气体的性质、温度和气体溶解度量单位选择有关的 常数，西维尔常数。 T:金属的热力学温度 S:溶解度 △H:气体在金属中的溶解热 p:气相中溶解气体的分压 S0:常数
除渣精炼
• 过滤除渣：
所谓机械过滤作用，是指当金属熔体通过过滤
王华 工学院材料系
第二章 熔体净化技术
熔体净化技术
本章要点: 介绍熔体净化的基本原理和对应的净化处理技术， 包括： (1) 熔体脱气和除渣精炼的几种基本原理； (2) 铝、镁、铜合金熔体净化处理技术； (3) 不同金属的熔体保护措施。
第一节 熔体净化原理
4
除渣精炼
氧化夹杂
非金属夹杂物的种类和来源
金属中的非金属化合物，如氧化物、氮化物、 等，统称为非金属夹杂物，一般简称为夹杂或 夹渣。
形成的夹渣若不在浇 根据夹渣的形态可分为：薄膜状、团状和颗粒 注前去除，将在铸锭 状。 中形成氧化夹杂。
夹渣的来源不同分为：外来夹渣和内生夹渣。
如，铝镁合金常见的有Al2O3、MgO、SiO2等 ，铜合金、镍合金中通常为Cu2O、NiO、ZnO 、SnO2、SiO2、Al2O3等，钢铁中有硫化物、 氢化物等。
除渣精炼
• 静置澄清除渣（密度差作用）
当金属熔体在高温静置时，非金属夹杂物与金属熔体比重不同 因而产生上浮或下沉。球形固体夹杂颗粒在液体中下沉或上浮的 速度服从Stokes定律： 2 g ( 2 1 ) 2 v r 9 T ↑ ，η↓，则：v↑，τ↓ 上升或下沉时间：
9 H 2 2r ( 2 1 ) g
方法一：分压差脱气
气体溶解度与金属液/气体接触处该气体分 压的平方根成正比。
S K1 P
K1 S0 exp[H / 2RT ]
K1:与金属及溶解气体的性质、温度和气体溶解度量单位选择有关的 常数，西维尔常数。 T:金属的热力学温度 S:溶解度 △H:气体在金属中的溶解热 p:气相中溶解气体的分压 S0:常数
除渣精炼
• 过滤除渣：
所谓机械过滤作用，是指当金属熔体通过过滤
金属材料熔炼与铸锭
第一部分有色金属熔炼的基本原理第一章：金属的氧化、挥发和除渣精炼一、响氧化烧损的因素及降低烧损的方法1、影响因素：(1) 金属及其氧化物的性质：与氧的亲和力越大，烧损就越大致密度越大，则烧损就越大(2) 熔炼温度越高，氧化反应就越厉害，烧损也就越严重(3) 炉气性质：炉气的氧化性强，一般烧损程度也大对于Cu熔炼来说，CO2、H2O呈中性，但有时H2O会有烧损影响，H2、CO呈还原性。
Cu+H2O=Cu2O+H2(4) 其它因素：炉料的块度越大，烧损程度就越大；熔炼时间越长，烧损程度也会越大；2、降低氧化烧损的方法从分析影响氧化烧损的诸因素可以看出，当所熔炼的合金一定时，主要从熔炼设备和熔炼工艺两方面来考虑。
(1) 选择合理炉型：尽量选用熔池面积较小、加热速度快的熔炉。
(2) 采用合理的加料顺序和炉料处理工艺：易氧化烧损的炉料应加在炉料下层或待其他炉料熔化后再加入到熔体中，也可以中间合多形式加入。
(3) 采用覆盖剂(4) 正确控制炉温(5) 正确控制炉气性质：对于氧化精炼的紫铜及易于吸氢的合金，宜采用氧化性炉气。
在紫铜熔炼的还原阶段及无氧铜熔炼时，宜用还原性炉气，并且用还原剂还原基体金属氧化物。
(6) 合理的操作方法：例如熔炼含铝、硅的青铜时，应注意操作方法，避免频繁搅拌，以保持氧化膜完整。
(7) 加入少量α>1的表面活性元素，其目的是改善熔体表面氧化膜的性质，能有效地降低烧损。
二、减少杂质污染金属的途径1、选用化学稳定性高的耐火材料。
紫铜、黄铜、硅青铜、锡青铜可用硅砂炉衬。
2、要可能条件下采用纯度较高的新金属料以保证某些合金纯度的要求。
3、火焰炉应选用低硫燃料4、所有与金属炉料接触的工具，尽可能采用不会带入杂质的材料制作，或用适当涂料保护好。
5、变料或转换合金时，应根据前后两种合金的纯度和性能的要求，对熔炉进行必要的清洗处理。
6、注意辅助材料的选用。
7、加强炉料管理，杜绝混料现象。
三、金属的脱氧所谓脱氧就是向金属液中加入与氧亲和力比基金属与氧亲和力更大的物质，将基体金属氧化物还原，本身形成不溶于金属熔体的固态、液态或气态脱氧产物而被排除的工艺过程。
有色金属熔炼与铸造
Me MO MeO M
Me 为还原剂， MO为金属氧化物，作氧化剂。
例如：
4 Al 3TiO2 3Ti 2 Al2O3
氧化热力学条件及判据
金属Me可被炉气中的氧气直接氧化，也可被其他氧化剂（以 MO表示）间接氧化。
Me+MO=MeO+M
研究表明，上式反应的热力学条件为 ΔGMeO<ΔGMO，即Me对 氧的亲和力大于M对氧的亲和力。所以位于ΔG-T图下方的金属可 被位于上方的氧化物所氧化。它们相距的垂直距离越远，反应的 趋势越大。例如： 3 1 Al(l) H 2 O(g) Al2 O3( 晶体 ) 3H (溶于Al液中) 2 2
氧化热力学条件及判据
金属氧化的热力学 趋势问题
▲金属氧化的趋势 ▲各合金元素的氧化顺序 Ca>Mg>Al>Ti>Mn>Zn>Fe>Cu ▲氧化程度
判定依据：反应前后自由能变化 △G=G产-G反
若△G＜0，即G产＜G反，则反应按方程式所给定的方向自动进行； 若△G＞0，即G产＞ G反，则反应将逆向自动进行；
G G RTlnQp
第一章 金属熔炼特性
• 1.1金属的氧化性
• 1.2金属的吸气性 • 1.3 金属的挥发性
• 1.4 金属的吸杂性
1.1 金属的氧化性
金属氧化的热力学条件 金属氧化的动力学机制 影响氧化烧损的因素及降低氧化烧损的方法
金属的氧化
炉渣
O2
杂质
固体纯金属或熔融合金与炉气、炉衬和炉渣发生一系列物理化 学作用。熔炼过程中，金属与氧反应生成金属氧化物造成不可 回收的金属损失 ——熔损。同时，金属氧化物的生成又是导致 铸锭产生杂质的主要原因。
金属熔炼与铸锭 第一章 有色金属及合金材料 ppt课件
山西
河南 贵州
广西
中国铝土矿资源丰度属中等水平， 产地310处，分布于19个省(区)。总 保有储量矿石22.7亿吨，居世界第7 位。山西铝资源最多，保有储量占 全国储量41%；贵州、广西、河南 次之，各占17%左右。
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
15
铝工业发展简史
1746年，德国科学家波特用明矾制得
世界主要生产国2005-2012电解铝产量（万吨）
国家 中国 俄罗斯 加拿大 美国 澳大利亚
2005 780 365 289 248 190
2006 935 372 305 228 193
2007 1256 395 308 256 196
2009 1263 359 312 266 —
2010 1390 390 299 173 —
汽车制造业: 奥迪A8采用全铝车身
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
10
有色金属的应用
▲ 镁合金在计算机以及电子通讯等领域的应用近年来急剧增长
（年递增20%）。
电脑外壳 F35战机
手机面板
血管支架
▲钛及其合金在航天、航空、
化工等领域应用越来越多。
.李会强：《合金熔炼与铸锭》
11
第二节 铝及铝合金
.
铝的特点
5
第一讲 有色金属及合金材料(1)
湖南科技大学机电工程学院
提纲
➢ 概述 ➢ 铝及铝合金 ➢ 镁及镁合金 ➢ 铜及铜合金 ➢ 钛及钛合金
第一节 概述
.
金属的分类
工业生产中，通常把铁、铬、锰及其合金称为黑色金属，如钢与铸铁， 把黑色金属以外的其他金属称为有色金属，如铝、镁、钛、铜、铅、 镍、锌等金属及合金。
2011 1619 412 296 199 —
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钛合金具有良好的耐应力腐蚀的能力，还具有耐淡 水和海水的腐蚀疲劳性能。在静止海水中数年仍非常光 亮。钛合金在海水中的腐蚀性能优于不锈钢。
比强度高
钛合金的特点
全钛合 金机身
F14A钛合金占比25%
钛合金的特点
核潜艇
采用全钛合金建造的 攻击型核潜艇是苏俄海军 所独有，这种颇具神秘色 彩的核潜艇，其在下潜深 度、水下航速等技术性能 方面的巨大优势绝对令人 叹为观止、印象深刻，但 巨大而高昂的造价也令其 有“金鱼”之称。
铜及铜合金产业现状
铜消费量
我国主要铜产品市场现状及预测(万吨)
板带材 管材
当前 46.8 53.8
2015年 109 89.6
棒材
65.8
117
线材
638
900
箔材
40.1
50.9
目前铜加工材主要有板带材、管棒材、线材和箔材几大类产品，主要 应用于电子电气、机械制造、交通运输、建筑等行业。
铜及铜合金产业现状
第二讲 有色金属及合金材料(2)
第四节 铜及铜合金
铜及铜合金简介
基本性质
熔点：1083℃ 密度：8.94g/cm3 电阻率：1.78×10-8Ωm (退火态) 热导率：400 W(mK)-1 热膨胀系数：16.5×10-6m/K 力学性能：280MPa(软态),延伸率≥40%
铜具有高的导电、导热性能和良好的延展性能，是与人类关系非常密切 的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业 等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。
制备方法
热机械处理 超音雾化
热机械处理 热机械处理
---热机械处理 热机械处理 热机械处理
极限抗拉强度 σb/MPa
420 460 500 586 552 400 489 300
导电率 /%IACS
92 91 85 85 65 75 ---80
高强高导铜
应用
集成电路引线框架
电气化铁路接触导线
电阻焊电极、喷嘴
1
江西铜业集团
34.3
2 铜陵有色金属集团
33.7
3
云南铜业集团
18.7
4 大冶有色金属公司
11.9
5
金川集团
10.3
6
白银有色金属
6.2
7
上海大昌铜业
5.4
8
上海鑫冶铜业
5.1
9 葫芦岛有色金属集团
5.0
10
烟台有色金属
4.9
我国铜产业特点：大而不强，亟待产业升级！
铜及铜合金产业现状
铜消费量
中国铜材产量、国际贸易及消费量
3.1 钛资源 钛合金
钛合金的特点
密度低：纯钛4.51g/cm3 强度高：纯钛可达到550MPa以上，
可直接使用，TC12室温下可达到 1150MPa 耐高温：TC12合金500℃可达到 700MPa 耐低温 耐腐蚀 无磁性 线膨胀系数小 导热性差 难机加工
比强度高
钛合金的特点
钛合金的比强度是目前工业金属中最高的。钛合金在 540℃的比强度高于钢，这种优点首先应用于航空发动机。
钛合金与其它材料性能比较
材料
0Cr17Ni14Cu4Nb TC4
抗拉强度 （MPa）
1310 1080
模量 （GPa）
206 113
密度 （g·cm-3）
8.10 4.45
比强度 （MPa·cm3·g-1）
青铜
锡青铜 工业用锡青铜的Sn含量一般为3%-14% Sn含量小于8%的锡青铜塑性好，适于压力加工 Sn含量大于10%的锡青铜塑性低，只适于铸造。 性能特点
锡青铜的铸造流动性较差、易形成分散缩孔，铸件致密度低， 但其线收缩小，适于铸造外形及尺寸要求精密的铸件。 耐腐蚀性好，在大气、海水中优于铜及黄铜，但在酸类及氨 水中的耐蚀性较差。
锌的熔点419.5℃。
保温炉联合炉组
铜及铜合金的熔炼与铸造
铜带坯连续铸造工艺与装备
法国格里塞公司开发了锡青铜水平 连铸新工艺：水平连铸—在线铣 面—在线轧制—在线均匀化退火 （850C） —切断—卷取。该技术 解决了锡青铜偏析问题，成分均匀， 塑性改善，冷轧加工率达90%。
锡的密度：7.3g/mm3。
164 243
比模量 （GPa·cm3·g-1）
25.4 25.4
钛合金的特点
耐低温 钛合金又能抗低温而不破坏。钛合金是现代超音速飞机、 火箭、导弹和航天飞机等可缺少的材料。
合金 TC4
钛合金与其它材料性能比较
温度
20 -70 -196 -253
抗拉强度 （MPa）
1080 1240 1640 1820
H62、H59等即六四黄铜，强度较好（Zn39-45时 抗拉强度最高），塑性差;在456℃，塑性好，只适合热 加工，常用作铆钉、螺帽、垫圈等。
黄铜的牌号
普通黄铜
通常把Cu-Zn二元合金称为普通黄铜
黄铜 H XX
H70:代表铜含量大约为Cu的70质w量t分.%数 ,Zn含量大约为 30wt.%. H62:代表铜含量大约为62wt.%,Zn含量大约为 38wt.%. H59:代表铜含量大约为59wt.%,Zn含量大约为
1980年 莫斯科 奥运会 火炬
2000年 悉尼 奥运会 火炬
青铜
2 青铜（Cu-Sn合金或Zn、Ni以外的其它合金）
最早的青铜为铜锡合金，现在将工业上除Zn、Ni以 外的其他合金元素为主要添加元素的铜合金统称为青铜 ，并冠以主要合金元素的名称：锡青铜、铝青铜、硅青 铜、铍青铜等。
铝青铜
锡青铜
3.1 钛资源 钛合金
钛合金
钛是上世纪50年代兴起的极其重要的轻质结构材料，被喻为二十一 世纪的“智慧金属”，在航空、航天、生物医学工程、车辆工程、航海 、石油、化工、建筑、体育用品等领域已获得了广泛的应用。
近年来，钛及其合金的先进熔炼工艺、超塑性成形工艺、先进钛基 复合材料制备工艺不断涌现出来，拓展了钛及其合金在航空航天、生物 医学及民用方面的发展。
排名
公司名称
2010年产量/万吨
1
智利国家铜业公司
176
2 自由港麦克莫兰公司
144
3
必和必拓
114
4
Байду номын сангаас
斯特拉塔公司
90.7
5
力拓公司
70.1
6
英美资源集团
64.5
7
墨西哥集团
59.8
8
嘉能可国际
54.2
9
南方铜业公司
48.7
10 波兰铜业股份有限公司
42.6
中国主要铜业公司
排名
公司名称
2003年产量/万吨
O、S：在铜的晶粒边界含有Cu2O或Cu2S等脆性化合物，降低铜的塑性。 P：一定程度上可提高铜的硬度和强度，但不同程度地降低铜的导电性和导热性。
导电紫铜带
厚壁紫铜管
表面淬火感应线圈 紫铜管接头
薄壁紫铜管
紫铜
紫铜香炉（大明宣德年制款）
景泰蓝工艺品
黄铜
1 黄铜（Cu-Zn合金） 以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。 H68、H70、H80等即七三黄铜（Cu70%，Zn30% 左右），为单相黄铜（Zn＜39%），塑性好,深冲性能 好，适于冷冲、冷拉板材、线材等，有弹壳黄铜之称， 也可热加工；
高强高导铜合金设计研究的重点和难点：在保持铜合金高电 导率的同时尽可能提高材料的强度。
高强高导铜
性能
合金强化型铜合金性能
合金
材料成分
Cu-Zr
Cu-Cr Cu-Ni Cu-Mg Cu-Fe Cu-Cd
Cu-0.3Zr Cu-0.5Zr Cu-0.5Cr Cu-0.6Cr-0.1Zr-0.03Mg Cu-0.1Ni Cu-0.25Mg-0.4Ag Cu-1.0Fe-0.3Pb Cu-1.0Cd
连续铸造装备
铜及铜合金的熔炼与铸造
锡磷铜带坯水平连铸电磁铸造
十五期间，中国首先实现 16X450mm锡磷青铜带坯结晶过 程电磁搅拌并迅速实现了产业化。 经过电磁搅拌处理的锡磷青铜带 坯晶粒细化，塑性提高，石墨模 具使用寿命延长，带材成品率提 高。这项技术处于世界领先水平。
连铸带坯
第五节 钛及钛合金
纯铜的强度不高（抗拉强度200-250MPa）硬 度低（40-50HBS）不宜作结构材料；塑性好 （延伸率45-55%）
紫铜的牌号
① 纯铜（加工紫铜）
② 磷脱氧铜
③ 无氧铜
紫铜的牌号
④ 弥散铜
紫铜的牌号
Pb、Bi：形成易熔共晶分布在铜的晶界上，热压时容易开裂，Bi还降低铜的室温 塑性，使铜“冷脆”。
黄铜的牌号
铸造黄铜
铸造黄铜 ZCu X Y Z A
其他合金元素质量分数 其他合金元素化学符号
主添加元素的质量分数 主添加元素的化学符号
ZCuZn38:代表铜含量大约为62wt.%,Zn含量大约为38wt.%. ZCuZn16Si4:代表铜含量大约为80wt.%,Zn含量大约为
2wt.%，Si含量大约为4%.
黄铜的牌号
特殊黄铜（复杂黄铜）
在普通黄铜的基础上加入Sn、Pb、Mn、Fe、Si、 Ni等元素形成的铜合金
特殊黄铜 H X YY-Z
主添加元素的质量分数
Cu的质量分数 主添加元素的化学符号
HPb59-1:代表铜含量大约为59wt.%,Pb含量大约为1.0wt.%. HMn58-2:代表铜含量大约为58wt.%,Mn含量大约为2wt.%.
云南、广东、广西及海南等地，其中四川攀西是中国最大的钛资源基地。
世界各国钛铁矿储量及所占比例（以TiO2计，万吨）
3.2 我国钛产世业界发展钛现产状量
比强度高
钛合金的特点
全钛合 金机身
F14A钛合金占比25%
钛合金的特点
核潜艇
采用全钛合金建造的 攻击型核潜艇是苏俄海军 所独有，这种颇具神秘色 彩的核潜艇，其在下潜深 度、水下航速等技术性能 方面的巨大优势绝对令人 叹为观止、印象深刻，但 巨大而高昂的造价也令其 有“金鱼”之称。
铜及铜合金产业现状
铜消费量
我国主要铜产品市场现状及预测(万吨)
板带材 管材
当前 46.8 53.8
2015年 109 89.6
棒材
65.8
117
线材
638
900
箔材
40.1
50.9
目前铜加工材主要有板带材、管棒材、线材和箔材几大类产品，主要 应用于电子电气、机械制造、交通运输、建筑等行业。
铜及铜合金产业现状
第二讲 有色金属及合金材料(2)
第四节 铜及铜合金
铜及铜合金简介
基本性质
熔点：1083℃ 密度：8.94g/cm3 电阻率：1.78×10-8Ωm (退火态) 热导率：400 W(mK)-1 热膨胀系数：16.5×10-6m/K 力学性能：280MPa(软态),延伸率≥40%
铜具有高的导电、导热性能和良好的延展性能，是与人类关系非常密切 的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业 等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。
制备方法
热机械处理 超音雾化
热机械处理 热机械处理
---热机械处理 热机械处理 热机械处理
极限抗拉强度 σb/MPa
420 460 500 586 552 400 489 300
导电率 /%IACS
92 91 85 85 65 75 ---80
高强高导铜
应用
集成电路引线框架
电气化铁路接触导线
电阻焊电极、喷嘴
1
江西铜业集团
34.3
2 铜陵有色金属集团
33.7
3
云南铜业集团
18.7
4 大冶有色金属公司
11.9
5
金川集团
10.3
6
白银有色金属
6.2
7
上海大昌铜业
5.4
8
上海鑫冶铜业
5.1
9 葫芦岛有色金属集团
5.0
10
烟台有色金属
4.9
我国铜产业特点：大而不强，亟待产业升级！
铜及铜合金产业现状
铜消费量
中国铜材产量、国际贸易及消费量
3.1 钛资源 钛合金
钛合金的特点
密度低：纯钛4.51g/cm3 强度高：纯钛可达到550MPa以上，
可直接使用，TC12室温下可达到 1150MPa 耐高温：TC12合金500℃可达到 700MPa 耐低温 耐腐蚀 无磁性 线膨胀系数小 导热性差 难机加工
比强度高
钛合金的特点
钛合金的比强度是目前工业金属中最高的。钛合金在 540℃的比强度高于钢，这种优点首先应用于航空发动机。
钛合金与其它材料性能比较
材料
0Cr17Ni14Cu4Nb TC4
抗拉强度 （MPa）
1310 1080
模量 （GPa）
206 113
密度 （g·cm-3）
8.10 4.45
比强度 （MPa·cm3·g-1）
青铜
锡青铜 工业用锡青铜的Sn含量一般为3%-14% Sn含量小于8%的锡青铜塑性好，适于压力加工 Sn含量大于10%的锡青铜塑性低，只适于铸造。 性能特点
锡青铜的铸造流动性较差、易形成分散缩孔，铸件致密度低， 但其线收缩小，适于铸造外形及尺寸要求精密的铸件。 耐腐蚀性好，在大气、海水中优于铜及黄铜，但在酸类及氨 水中的耐蚀性较差。
锌的熔点419.5℃。
保温炉联合炉组
铜及铜合金的熔炼与铸造
铜带坯连续铸造工艺与装备
法国格里塞公司开发了锡青铜水平 连铸新工艺：水平连铸—在线铣 面—在线轧制—在线均匀化退火 （850C） —切断—卷取。该技术 解决了锡青铜偏析问题，成分均匀， 塑性改善，冷轧加工率达90%。
锡的密度：7.3g/mm3。
164 243
比模量 （GPa·cm3·g-1）
25.4 25.4
钛合金的特点
耐低温 钛合金又能抗低温而不破坏。钛合金是现代超音速飞机、 火箭、导弹和航天飞机等可缺少的材料。
合金 TC4
钛合金与其它材料性能比较
温度
20 -70 -196 -253
抗拉强度 （MPa）
1080 1240 1640 1820
H62、H59等即六四黄铜，强度较好（Zn39-45时 抗拉强度最高），塑性差;在456℃，塑性好，只适合热 加工，常用作铆钉、螺帽、垫圈等。
黄铜的牌号
普通黄铜
通常把Cu-Zn二元合金称为普通黄铜
黄铜 H XX
H70:代表铜含量大约为Cu的70质w量t分.%数 ,Zn含量大约为 30wt.%. H62:代表铜含量大约为62wt.%,Zn含量大约为 38wt.%. H59:代表铜含量大约为59wt.%,Zn含量大约为
1980年 莫斯科 奥运会 火炬
2000年 悉尼 奥运会 火炬
青铜
2 青铜（Cu-Sn合金或Zn、Ni以外的其它合金）
最早的青铜为铜锡合金，现在将工业上除Zn、Ni以 外的其他合金元素为主要添加元素的铜合金统称为青铜 ，并冠以主要合金元素的名称：锡青铜、铝青铜、硅青 铜、铍青铜等。
铝青铜
锡青铜
3.1 钛资源 钛合金
钛合金
钛是上世纪50年代兴起的极其重要的轻质结构材料，被喻为二十一 世纪的“智慧金属”，在航空、航天、生物医学工程、车辆工程、航海 、石油、化工、建筑、体育用品等领域已获得了广泛的应用。
近年来，钛及其合金的先进熔炼工艺、超塑性成形工艺、先进钛基 复合材料制备工艺不断涌现出来，拓展了钛及其合金在航空航天、生物 医学及民用方面的发展。
排名
公司名称
2010年产量/万吨
1
智利国家铜业公司
176
2 自由港麦克莫兰公司
144
3
必和必拓
114
4
Байду номын сангаас
斯特拉塔公司
90.7
5
力拓公司
70.1
6
英美资源集团
64.5
7
墨西哥集团
59.8
8
嘉能可国际
54.2
9
南方铜业公司
48.7
10 波兰铜业股份有限公司
42.6
中国主要铜业公司
排名
公司名称
2003年产量/万吨
O、S：在铜的晶粒边界含有Cu2O或Cu2S等脆性化合物，降低铜的塑性。 P：一定程度上可提高铜的硬度和强度，但不同程度地降低铜的导电性和导热性。
导电紫铜带
厚壁紫铜管
表面淬火感应线圈 紫铜管接头
薄壁紫铜管
紫铜
紫铜香炉（大明宣德年制款）
景泰蓝工艺品
黄铜
1 黄铜（Cu-Zn合金） 以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。 H68、H70、H80等即七三黄铜（Cu70%，Zn30% 左右），为单相黄铜（Zn＜39%），塑性好,深冲性能 好，适于冷冲、冷拉板材、线材等，有弹壳黄铜之称， 也可热加工；
高强高导铜合金设计研究的重点和难点：在保持铜合金高电 导率的同时尽可能提高材料的强度。
高强高导铜
性能
合金强化型铜合金性能
合金
材料成分
Cu-Zr
Cu-Cr Cu-Ni Cu-Mg Cu-Fe Cu-Cd
Cu-0.3Zr Cu-0.5Zr Cu-0.5Cr Cu-0.6Cr-0.1Zr-0.03Mg Cu-0.1Ni Cu-0.25Mg-0.4Ag Cu-1.0Fe-0.3Pb Cu-1.0Cd
连续铸造装备
铜及铜合金的熔炼与铸造
锡磷铜带坯水平连铸电磁铸造
十五期间，中国首先实现 16X450mm锡磷青铜带坯结晶过 程电磁搅拌并迅速实现了产业化。 经过电磁搅拌处理的锡磷青铜带 坯晶粒细化，塑性提高，石墨模 具使用寿命延长，带材成品率提 高。这项技术处于世界领先水平。
连铸带坯
第五节 钛及钛合金
纯铜的强度不高（抗拉强度200-250MPa）硬 度低（40-50HBS）不宜作结构材料；塑性好 （延伸率45-55%）
紫铜的牌号
① 纯铜（加工紫铜）
② 磷脱氧铜
③ 无氧铜
紫铜的牌号
④ 弥散铜
紫铜的牌号
Pb、Bi：形成易熔共晶分布在铜的晶界上，热压时容易开裂，Bi还降低铜的室温 塑性，使铜“冷脆”。
黄铜的牌号
铸造黄铜
铸造黄铜 ZCu X Y Z A
其他合金元素质量分数 其他合金元素化学符号
主添加元素的质量分数 主添加元素的化学符号
ZCuZn38:代表铜含量大约为62wt.%,Zn含量大约为38wt.%. ZCuZn16Si4:代表铜含量大约为80wt.%,Zn含量大约为
2wt.%，Si含量大约为4%.
黄铜的牌号
特殊黄铜（复杂黄铜）
在普通黄铜的基础上加入Sn、Pb、Mn、Fe、Si、 Ni等元素形成的铜合金
特殊黄铜 H X YY-Z
主添加元素的质量分数
Cu的质量分数 主添加元素的化学符号
HPb59-1:代表铜含量大约为59wt.%,Pb含量大约为1.0wt.%. HMn58-2:代表铜含量大约为58wt.%,Mn含量大约为2wt.%.
云南、广东、广西及海南等地，其中四川攀西是中国最大的钛资源基地。
世界各国钛铁矿储量及所占比例（以TiO2计，万吨）
3.2 我国钛产世业界发展钛现产状量