金属熔炼与铸锭 第一章 有色金属及合金材料

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超硬铝
铝锌镁铜系高强铝合金 强度可达600～700MPa
厚板、挤压件和锻件，应用于飞 机上的大型结构件
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4
金属熔炼与铸锭课程
参考书及教材：
1、有色金属及合金的熔炼与铸锭，王文礼，冶金工 业出版社，第1版，2009.8；
2、有色金属熔炼与铸锭，陈存中，冶金工业出版社； 3、金属凝固原理 胡汉起； 4、其它相关资料。
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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
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提纲
73 206
密度 （g·cm-3）
2.81 8.10
比强度 （MPa·cm3·g-1）
231 164
比模量 （GPa·cm3·g-1）
26.0 25.4
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铝合金的分类
铝合金典型相图
A
根据合金元素 3 4
的含量和加工工艺性能
B
C
特点，把铝合金分为：
Al D
加工变形铝合金
1
2
铸造铝合金
1—变形铝合金
14
铝的资源、生产和消费
铝资源的分布
世界上铝土矿资源总量约在400－ 500亿吨，储量在10亿吨以上的国家有几内 亚、澳大利亚、巴西、牙买加及印度等， 这些国家的铝土矿占世界铝土矿总储量的 73％。
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。
重金属(密度＞4.5); Cu、Pb、Zn、Ni 等。 轻金属(密度＜4.5); Al、Mg 、Ti等。 贵重金属; Au、Ag、Pt 、Pd、Rh、Ir、Os、Ru八种。 稀有金属; W、Ti、Ra、Nb 等。 半金属; Si、Te、B 等。
金（Au）银（Ag）铂（Pt）钯（Pd）铑（Rh）铱精（品I课r件）锇（Os）钌（Ru）
有极好的流动性，高的耐腐蚀抗力和良好的焊接性
铝硅ZL102 铝硅镁ZLl04 铝硅铜镁ZL105
变质处理！
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铸造铝合金
（2）Al-Cu系铸造铝合金
该系合金切削性能优良，由于含Cu，可时效强化，热 处理后力学性能较高，合金中含有少量共晶组织，凝固温度范 围广，容易产生细的缩孔，铸造性能较差，抗蚀性也较低。 如：ZL203 ZL201
特性
编号举例
抗蚀性好，强度低，压力加 工和焊接性好
LF21，LF3，LF6
力学性能好（室温、高温） LY12
室温强度高
LC4
锻造性能好，耐热性高
LD5，LD10 LD8，LD7
铸造性能好，强度低
ZL102
兼有良好铸造、力学性能 ZL101，ZL105
耐热性好，铸造性差 力学性能高，抗蚀性好 耐热性好 能自动淬火，宜于压铸
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变形铝合金的加工方法
（1）防锈铝 A1-Mn和A1-Mg系
特点： 抗腐蚀性能好，易于加工成形和焊接，良好的深 冲性能和低温性能。
不能热处理强化
合金的强度较低
切削加工工艺性较差
适于制造焊接油箱、管道、容器．铆钉及其他冷 变形零件
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防锈铝的应用
（1）铝锰系合金
（2）铝镁合金
易拉罐
“欧洲野牛”气垫登陆船
➢ 概述 ➢ 铝及铝合金 ➢ 镁及镁合金 ➢ 铜及铜合金 ➢ 钛及钛合金
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第一节 概述
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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。
☆ Al，Mg，Ti及其合金密度小 ☆ Au，Cu，Ag及其合金导电性好 ☆ Ni，Mo，Nb，Co及其合金耐高温 ☆ Ni，Ti及合金具有优良的耐蚀性
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2013 2196 — 297 um Beginnings
Thefirst useof aluminuminaerospacedatesbackto 1903whentheWright brothersusedanAl-Cu-Mnalloy
Airplanes cast by Alcoa for the engine crankcase of the Flyer -
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铝的资源、生产和消费
电解铝的产量
目前原铝的生产主要是通过电解法，从氧化铝中还原出金属铝。中国 的电解铝产量一直稳居世界首位，比第二位的俄罗斯产量要高出3倍以上， 而且目前每年仍以大于10%的速率稳步增长。
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
否合格的最关键因素，相关技术是我们必备的专业
素质。
本课程内容：成分控制、熔体 净化、铸锭凝固、加热设备
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金属熔炼与铸锭课程 简介
教学内容： 有色合金的熔炼-铸造过程原理、工艺、设备及
新技术。主要包括如下内容：
有色金属及合金熔体质量的控制及机理
有色金属及合金铸锭冶金质量的控制及机理
有色金属及合金的熔铸技术及设备
9
有色金属的应用
▲ 有色金属及其合金的应用越来越多，在国民经济中占越来越重要地位。 ▲ 铝及铝合金是目前应用最广泛的有色金属材料，其在金属材料中的应用仅
次于钢。
飞机制造业：空客A380的铝合金用量在 66%以上
汽车制造业: 奥迪A8采用全铝车身
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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
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铸造铝合金
（3）Al-Mg系铸造铝合金 ZL301 ZL302
优点：耐蚀性好，强度高，密度小（2.55 比纯铝还轻）。
缺点：铝镁合金容易氧化，熔体流动性不 好，铸造性能差。
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铸造铝合金
（4）Al-Zn系铸造铝合金 ZL401
优点：铸造性能好，强度高（铸造冷却时 自行淬火），经时效后就有较高的 强度，价格低。
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硬铝
铝-铜-镁系合金
时效处理 高的硬度、强度
概念
优良的加工工艺性能
（1）高强度硬铝LYl2合金
w(Cu) 3.8～4.9%，w (Mg) 1.2～1.8％，w (Mn) 0.3～0.9％
抗拉强度约180MPa，时效
480MPa。
加工硬化+时效
500MPa以上
（2）低强度硬铝
（3）耐热硬铝LY2
99.85%
L1
L2
……
L7
1#工业纯铝
2#工业
纯铝
精7品课#件工业纯铝
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力学性能
铝合金
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铝合金
比强铝合度金、与比钢铁刚性度能比较
与钢铁相比，铝合金具有较高的比强度、比模量（刚度），较低 的密度。
材料
7075铝合金 0Cr17Ni14Cu4Nb
抗拉强度 （MPa）
650 1310
模量 （GPa）
ZL201，ZL203 ZL301，ZL303 ZL401 ZL501
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铸造铝合金的牌号
铸表造示铝 合 主合 金金 顺的 序 元表号素示1方-S法i 2-Cu 3-Mg 4-Zn
ZL
* **
如： ZL102 表示第2号铝硅铸造合金
ZL405 表示第5号铝锌铸造合
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铸造铝合金
铸造性能好，可进行各种成型铸造，生产 形状复杂的零件。 （1）铝硅系铸造铝合金
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
消耗了基体中的铜原子， 降低了合金的时效强化效果
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纯铝
纯铝的牌号 L04
4#高纯铝 99.996%
L03 3#高纯铝
99.99%
2#高纯铝 99.96%
L0 1#工业高纯铝
99.90%
L00 2#工业高纯铝
1978
0.15 0.12 7475
1980
0.12
1978
0.12 0.10 7050
1971
0.15
1994
0.12 0.10 7150
1978
0.15
1995
0.12
0.06 7055 精品课件
1991
0.15
Si 0.40 0.15 0.10 0.12 0.12 0.1200
杂质
铝合金中的富铁化合物EDS分析结果
19世纪初，法国皇帝拿破仑三世
拿 破
为显示自己的富有和尊贵，命令官员给自
仑 己打造了一顶铝皇冠。在国宴上，只有他
三 世
使用一套铝制餐具，而他为客人提供的是
金制餐具。
门
1857 年 ， 英 国 皇 家 学 会 为 表 彰
捷 列
门捷列夫对化学的杰出贡献，不惜重金制
夫 作了一只铝杯，赠送给门捷列夫。
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④ 含良量好最的多导的电金性属元素
存在形式：
⑤
长良石好、的云耐母核（辐铝射硅性酸盐矿物
）、铝土矿
（Al2O3）、明矾石
地壳中元素分布
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低密度铝锂合金
该部段采用世界先进的第三代 铝锂合金材料，有助于提升飞 机结构材料性能，减轻飞机整 体结构重量。
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金属锂
锂的密度：0.534g/cm3
（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。
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第二节 铝及铝合金
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铝的特点
基本性质
① 密度2.70g/cm3，约为铁的三分之一，铝合金
密度一般为2.5~2.88之间
② 具有面心立方晶格，延展性好
③ 在良地好壳的中导含热量性：7.73%
Ferrari Modena
1980 1990
2000
Year
Cookware
Electrical Conductor
Buildings
Model T Castings
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Heat Exchangers
Space Shuttle
Marine
Airbus A380
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纯 纯高工铝纯业铝铝高纯的纯铝铝分类
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铝合金的分类及牌号
类别
名称
防锈铝 变 形 硬铝 铝 合 超硬铝 金
锻铝
简单铝硅合金
铸 复杂铝硅合金 造 铝 铝铜合金 合 铝镁合金 金
铝稀土合金
铝锌合金
合金系
Al-Mn Al-Mg Al-Cu-Mg Al-Zn-Mg-Cu Al-Cu-Mg-Si Al-Cu-Mg-Ni-Fe Al-Si Al-Si-Mg Al-Si-Mg-Cu Al-Cu Al-Mg Al-Re Al-Zn
the first aircraft.
Household Foil
Truck bodies & Wheels
Easy Open Cans
Audi A8
1886
A
Alcoa Proprietary
April 10, 2002
3
Alcoa/BoeingaMeeting
1890 1900 1920
1940-1950 1960
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 —
2011 1619 412 296 199 —
2012 1806 417 278 207 —
缺点：抗蚀性差，热裂倾向大。
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电解铝 熔炼铸造
变形铝合金
轧制
板材 带材
薄材
均匀化退火
挤压
锻造
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棒材
管材
异形材
锻件
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变形铝合金的牌号
合金特性 防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝
防锈铝 “LF5”
LF+顺序号
硬铝 “LY12”
LY+顺序号
超硬铝 “LC4”
LC+顺序号
锻铝
L精品D课+件 顺序号
2—铸造铝合金
3—不可热处理强化的铝合金
4—可热处理强化的铝合金
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A质 固时l量溶 效-百C态u分合数金相图
举例说明
6 20 33 0.6 3
铝合金的分类
Cu含量低于0.6wt.%，不可热处理 强化，适于变形
Cu含量介于0.6-6.0wt.%之间，可 热处理强化，适于变形
Cu含量高于6.0wt.%，可热处理强 化，适于铸造
金属熔炼与铸锭
湖南科技大学 机电工程学院
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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。
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金属熔炼与铸锭课程
简介
包装绝用铝大箔多数的金属材料，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
纯铝
纯铝中含有的主要杂质
杂 质
元素为Fe，Si，Cu，Zn
等
合金 2024 2124 2224 2324 2424 2524
降低Fe、Si杂质含量是铝合金高纯化的重要内容
注册年代
Fe
Si
合金
注册年代
Fe
1954
0.50 0.50 7075
1954
0.50
1970
0.30 0.20 7175
1967
0.20
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铝工业发展简史
1746年，德国科学家波特用明矾制得
明
氧化铝
矾
1825年丹麦科学家奥斯勒用钾还原氧 化铝得到少量金属铝
氧 化 铝
1854年法国科学家德维尔建厂生产一 些铝制品，价格昂贵，等同于黄金
高
纯
1888年美国匹兹堡建立第一家电解铝 厂，铝生产进入一个新阶段
铝 锭
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趣闻
铝工业发展简史