铝合金的熔炼、铸锭与固溶处理

铝合金的熔炼、铸锭与固溶处理

一、实验目的：

掌握铝合金熔炼的基本原理，并应用在熔炼的实践中。熔炼是使金属合金化的一种方法，它是采用加热的方式改变金属物态，使基体金属和合金组元按要求的配比熔制成成分均匀的熔体，并使其满足内部纯洁度、铸造温度和其他特定条件的一种工艺过程。熔体的质量对铝材的加工性能和最终使用性能产生决定性的影响，如果熔体质量先天不足，将给制品的使用带来潜在的危险。因此，熔炼又是对加工制品的质量起支配作用的一道关键工序。而铸造是一种使液态金属冷凝成型的方法，它是将符合铸造的液态金属通过一系列浇注工具浇入到具有一定形状的铸模（结晶器）中，使液态金属在重力场或外力场（如电磁力、离心力、振动惯性力、压力等）的作用下充满铸模型腔，冷却并凝固成具有铸模型腔形状的铸锭或铸件的工艺过程。铝合金的铸锭法有很多，根据铸锭相对铸模（结晶器）的位置和运动特征，可将铝合金的铸锭方法分类如下：

二、实验内容：

铝铜合金熔炼基本工艺流程

三、实验要求

严格控制熔化工艺参数和规程

1. 熔炼温度

熔炼温度愈高，合金化程度愈完全，但熔体氧化、吸氢倾向愈大，铸锭形成粗晶组织和裂纹的倾向性愈大。通常，铝合金的熔炼温度都控制在合金液相线温度以上50～100℃的范围内。从图1的Al-Cu相图可知，Al-5%Cu的液相线温度大致为660～670℃，因此，它的熔炼温度应定在710（720）℃～760（770）℃之间。浇注温度为730℃左右。

图1 铝铜二元状态图

2．熔炼时间

熔炼时间是指从装炉升温开始到熔体出炉为止，炉料以固态和液态形式停留于熔炉中的总时间。熔炼时间越长，则熔炉生产率越低，炉料氧化吸气程度愈严重，铸锭形成粗晶组织

和裂纹的倾向性愈大。精炼后的熔体，在炉中停留愈久，则熔体重新污染，成分发生变化，变形处理失效的可能性愈大。因此，作为一条总的原则，在保证完成一系列的工艺操作所必需的时间的前提下，应尽量缩短熔炼时间。

3．合金化元素的加入方式

与铝相比，铜的比重大，熔点虽高（1083℃），但在铝中的溶解度大，溶解热也很大，无需将预热即可溶解，因此，可以以纯金属板的形式在主要炉料熔化后直接加入熔体中，亦可与纯铝一同加入。

4．要注意覆盖

众所周知，铝在高温熔融状态，极易形成Al2O3氧化膜，因此要对铝熔体进行保护。就铝铜合金而言，所用的覆盖剂为：40%KCl+40%NaCl+20%冰晶石（Na3AlF6）的粉状物。它的比重约为2.3g/cm3，熔点约670℃，这种覆盖剂不仅能防止熔体氧化和吸氢，同时还具有排氢效果。这是因为它的熔点比熔体温度低，比重比熔体小，还具有良好的润湿性能，在熔体表面能够形成一层连续的液体覆盖膜，将熔体和炉料隔开，且具有一定的精炼能力，因而，这种覆盖剂具有良好的覆盖、分离、精炼的综合工艺性能。加入量一般为熔体质量的2～5%。

5. 要注意扒渣

当炉料全部熔化后，在熔体表面会形成一层有溶剂、金属氧化物和其它非金属夹杂物所组成的熔渣。在进行浇注之前，必须将这层渣除掉。其目的是：（1）防止熔体夹渣；（2）减少熔体吸气机会（因为熔渣是水蒸气的良好载体）；（3）加强传热。扒渣时，工具要干净，要预热；操作要平稳不起波浪。

6．金属模要上涂料并加热到300℃左右

四、实验装置

1．中频感应真空熔炼炉

2．浇铸模（可自由脱模式）

3．必要的工具（扒渣棒、抱钳等）

4．便携式红外测温仪

5．铝块

6．铜板

7．天平

8．石墨坩埚

五、实验步骤

1、备料：按照Al-3%Cu的质量百分比，用天平称好炉料（按每炉1kg计算）；

2、装料：将铝块和铜板同时加入中频感应炉的坩埚中，然后加入覆盖剂；

3、升温：注意调整电流、电压及功率因子（cos ）；

4、测温：控制在710-770℃之间，用红外测温仪进行；

5、调温：主要是为浇注作准备，熔体温度太低，流动性不佳，不易充满模子，而熔体温度太高，易氧化和形成粗大晶粒；

6、浇注：将熔体倒入预先准备的模子中，待完全凝固后，再脱模；

7、脱模：取出铸件，注意要戴手套。

8. 固溶处理：将部分铸件放入马弗炉中进行固溶处理（540℃，12h，急冷）

五、思考题：

1、什么叫做熔炼与铸锭？他们有何作用？

答：熔炼是使金属合金化的一种方法，它是采用加热的方式改变金属物态，使基体金属和合金化组元按要求的配比熔制成成分均匀的熔体，并使其满足内部纯洁度，铸造温度和其他特定条件的一种工艺过程。

铸造是一种使液态金属冷凝成型的方法，它是将符合铸造的液态金属通过一系列浇注工具浇入到具有一定形状的铸模（结晶器）中，使液态金属在重力场或外力场（如电磁力、离心力、振动惯性力、压力等）的作用下充满铸模型腔，冷却并凝固成具有铸模型腔形状的铸锭或铸件的工艺过程。

作用：

熔炼采用加热的方式改变金属物态，使基体金属和合金化组元按要求的配比熔制成成分均匀的熔体，并使其满足内部纯洁度，铸造温度和其他特定条件。

铸锭可使液态金属在重力场或外力场（如电磁力、离心力、振动惯性力、压力等）的作用下充满铸模型腔，冷却并凝固成具有铸模型腔形状的铸锭或铸件。

2、简要比较中频感应炉熔炼和普通电炉熔炼的异同之处及优缺点。

答：中频感应炉是在真空条件下进行熔炼，所以不需要加覆盖剂，减少了熔融合金被氧化的可能，其坩埚外部附加了通电线圈，能够产生磁力线，在磁力线的作用下，能够使得熔炼速度更大效果的提高，提高了熔炼速度。

普通电炉依靠电阻发热进行熔炼，加热速度慢，必须加入覆盖剂防止氧化。

中频感应炉的优缺点：

优点：提高熔炼速度，防止杂志的进入以及氧化，使得合金化充分。

缺点：设备较昂贵。

3、简述实验过程及心得体会。

金属的熔炼是现代工业中的重要组成部分。初步掌握熔炼和铸造的基本技术是我们工科