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1、铸造铝硅合金综合课程设计（铝硅合金以铝、硅为主成分的锻造和铸造合金。一般含硅11%。同时加入少 量铜、铁、竦以提高强度。）1. 实验目的和任务本综合实验是在金属材料本科生完成相关专业理论课之后的一次全面 综合实验训练，通过从铝合金材料设计与选择、制造到性能检测的全面训 练，使学生了解铝合金材料及其加工的生产全过程，所学基础理论和专业 理论来解释试验中的各种现象，培养学生的动手能力和综合分析问题的能 力，特别是学生的独立设计实验方案及创新能力。2. 基本要求1）通过从铝合金材料设计与选择、制造到性能检测的全面训练，使学 生了解铝合金材料及其加工的生产全过程；4）学会整理数据，运用知识解释实验中的
2、现象，理论联系实际，培养 动手能力，采集并分析数据的综合能力。3. 实验材料和实验方法3.1铝合金简介铝合金是比较年轻的材料，历史不过百年，铝合金以比重小，强度高 著称，可以说没有铝合金就不可能有现代化的航空事业和宇航事业，在飞 机、导弹、人造卫星中铝合金所占比重高达 90%，是铸造生产中仅次于铸铁 的第二大合金，其地壳含量达7.5%，在工业上有着重要地位。铝合金有良好的表面光泽，在大气及淡水中具有良好的耐腐蚀性，故在 民用器皿制造中，具有广泛的用途。纯铝在硝酸及醋酸等氧化性酸类介质 中具有良好的耐蚀性，因而铝铸件在化学工业中也有一定的用途。纯铝及 铝合金有良好的导热性能，放在化工生产中使用的
3、热交换装置，以及动力 机械上要求具有良好导热性能的零件，如内燃机的汽缸盖和活塞等，也适 于用铝合金来制造。铝合金具有良好的铸造性能。由于熔点较低（纯铝熔点为660 C，铝合金的浇注温度一般约在730750 C左右），故能广泛采用金属型及压力铸 造等铸造方法，以提高铸件的内在质量、尺寸精度和表面光洁程度以及生 产效率。铝合金由于凝固潜热大，在重量相同条件下，铝液的凝固过程时 间延续比铸钢和铸铁长得多，其流动性良好，有利于铸造薄壁和结构复杂 的铸件。铸造铝合金的分类、牌号：铝合金按照加工方法的不同分为两大类，即压力加工铝合金和铸造铝 合金（分别以YL和ZL表示）。在铸造铝合金中又依主要加入的合金元
4、素 的不同而分为四个系列，即铸造铝硅合金、铸造铝铜合金、铸造铝镁合金 和铸造铅锌合金（分别以 ZL1X X，ZL2 X X，ZL3 X X和ZL4 X X表示）， 在每个系列中又按照化学成分及性能的不同而分为若干牌号。表1中列出了铸造铝合金国家标准所包括的几种铝合金的牌号。3.2铸造铝合金的牌号表3-1铸造铝合金的牌号序号合金牌号合金代号序号合金牌号合金代号序号合金牌号合金代号1ZALSi7MgZL10110ZALSi12Cu1Mg1Ni1ZL10919ZALCu5MnCdAZL204A2ZALSi7MgAZL101A11ZALSi9Cu2MgZL11120ZALCu5MnCdVAZL205A
5、3ZALSi12ZL10212ZALSi7Mg1AZL114A21ZALR5Cu3Si2ZL2074ZALSi9MgZL10413ZALSi5Zn1MgZL11522ZALMg10ZL3015ZALSi5Cu1MgZL10514ZALSi8MgBeZL11623ZALMg5Si1ZL3036ZALSi5Cu1MgAZL105A15ZALCu5MnZL20124ZALMg8Zn1ZL3057ZALSi8Cu1MgZL10616ZALCu5MnAZL201A25ZALZn11Si7ZL4018ZALSi7Cu4ZL10717ZALCu10ZL20226ZALZn6MgZL4029ZALSi12Cu
6、2MgZL10818ZALCu4ZL2033.3实验所需仪器设备坩蜗电阻炉，万能力学试验机3.4实验原理1）本实验根据合金熔铸的基本原理，利用电阻熔炼炉，对铝和硅进行 金属熔铸，根据实验要求配比制造不同成分铝硅合金。2）利用万能力学试验机来检测合金的力学性能。3.5铝合金的熔铸3.5.1铝合金的熔炼设备合金熔炼的目的是要获得符合一定成分和温度要求的金属熔液。不同 类型的金属，需要采用不同的熔炼方法及设备。如钢的熔炼是用转炉、平 炉、电弧炉、感应电炉等；铸铁的熔炼多采用冲天炉；而非铁金属铝合金 的熔化通常采用坩蜗电阻炉，炉子的大小一般为30-500kg，电热体有金属（铁铭合金）、非金属（碳化硅）
7、两种，是广泛用来熔化铝合金的炉子， 优点是：炉气呈中性，金属也不会强烈氧化，炉温便于控制，操作简单， 劳动条件好。坩蜗分金属坩蜗（铸铁、铸钢、钢板）非金属坩蜗（石墨、 粘土、炭质）两类。QR系列坩蜗熔化电阻炉如图3-1、3-2所示。图3-1 QR系列坩蜗熔化电阻炉外形图1一炉壳2一炉衬3一加热元件4一炉盖5一坩埚6倾斜机构7一支架图3-2 QR系列坩蜗熔化电阻炉结构图其炉体外壳由型钢及钢板焊接成圆筒结构，其内有各种耐火材料砖砌 成的加热室。在加热室与炉壳之间砌有保温砖及填满保温粉以减少热损失。 由高电阻合金加工成螺旋状的电热元件布置在加热室周围的搁砖上，通过 引出棒与外线路的电源接通。耐热材料
8、制成的坩蜗工作室放在加热室内。 在电炉后端装有保护罩壳，罩壳内是加热元件接线装置。通过蜗轮减速机，可将装置在炉架上的炉体在 90度范围内倾斜浇铸， 也可手动操作。炉面板上装有两个半圆形的炉盖，炉盖合并盖好后留有一 热电偶测量孔。电路配置一支热电偶，通过补偿导线与控制柜上的仪表相 连接，可控制工作温度。3.5.2铝合金坩蜗电阻炉熔炼的特点及工艺过程3.5.2.1铝合金熔炼的特点由于铝合金的熔点低，熔炼时极易氧化、吸气，合金中的低沸点元素（如镁、锌等）极易蒸发烧损。故铝合金的熔炼应在与燃料和燃气隔离的 状态下进行。铝合金熔炼工艺控制较为复杂。铝合金的牌号较多，使用元 素也较多，某一元素对一种合金是
9、有益的，但对另一种合金可能是有害的， 同一炉不要熔化成分相差较大的合金，熔炼时配料应精确计算：熔化铝合 金的炉料包括金属炉料（新料、中间合金、旧炉料），溶剂（覆盖剂、精 炼剂、变质剂）和辅助材料（指坩蜗及熔炼浇注工具表面上涂的涂料）。 配料计算主要是如何搭配金属材料，以满足合金质量要求。一方面是保证 合乎要求的化学成分，另一方面是在保证质量的前提下多使用旧炉料，以 降低成本。3.5.2.2熔炼的工艺过程（1）炉料处理炉料使用前应清理炉料，以去除表面的锈蚀、油脂等污物。放置时间 不长，表面较干净的铝合金锭及金属型回炉料可以不经吹砂处理，但应消 除混在炉料内的铁质过滤网及镶嵌件等，所有的炉料在入炉
10、前均应预热， 以去除表面附的水分，缩短熔炼时间在 3小时以上。（2）坩蜗及熔炼工具的准备新坩蜗使用前应清理干净及仔细检查有无穿透性缺陷，使用前均应吹 砂，并预热全暗红色（500-600度）保温2小时以上，以烧除附着在坩蜗 内壁的水分及可燃物质，待冷到 300度以下时，仔细清理坩蜗内壁，在温 度不低于200度时喷涂料。坩蜗要烘干、烘透才能使用。压瓢、搅拌勺、 浇包等熔炼工具使用前必须除尽残余金属及氧化皮等污物，经过200 C300 C预热并涂以防护涂料。以免与铝合金直接接触，污染铝合金。涂料一 般采用氧化锌和水或水玻璃调合。涂完涂料后的模具及熔炼工具使用前再 经200 C300 C预热烘干。（3
11、 ）熔炼温度的控制熔炼温度过低，不利于合金元素的溶解及气体、夹杂物的排出，增加 形成偏析、冷隔、欠铸的倾向，还会因冒口热量不足，使铸件得不到合理 的补缩，有资料指出，所有铝合金的熔炼温度至少要达705度并应进行搅拌。熔炼温度过高不仅浪费能源，更严重的是因为温度愈高，吸氢愈多， 品粒亦愈粗大，铝的氧化愈严重，一些合金元素的烧损也愈严重，从而导 致合金的机械性能的下降，铸造性能和机械加工性能恶化，变质处理的效 果削弱，铸件的气密性降低。生产实践证明，把合金液快速升温至较高的温度，进行合理的搅拌， 以促进所有合金元素的溶解（特别是难熔金属元素），扒除浮渣后降至浇 注温度，这样，偏析程度最小，熔解的氢
12、亦少，有利于获得均匀致密、机 械性能高的合金。因为铝熔体的温度是难以用肉眼来判断的，所以不论使 用何种类型的熔化炉，都应该用测温仪表控制温度。测温仪表应定期校核 和维修。热电偶套管应周期的用金属刷刷干净，涂以防护性涂料，以保证 测温结果的准确性及延长使用寿命。（4）熔炼时间的控制为了减少铝熔体的氧化、吸气和铁的溶解，应尽量缩短铝熔体在炉内 的停留时间，快速熔炼。从熔化开始至浇注完毕，砂型铸造不超过4小时，金属型铸造不超过6小时，压铸不超过8小时。为加速熔炼过程，应首先加入中等块度、熔点较低的回炉料及铝硅中 间合金，以便在坩蜗底部尽快形成熔池，然后再加块度较大的回炉料及纯 铝锭，使它们能徐徐浸入
13、逐渐扩大的熔池，很快熔化。在炉料主要部分熔 化后，再加熔点较高、数量不多的中间合金，升温、搅拌以加速熔化。最 后降温，压入易氧化的合金元素，以减少损失。（5）精炼处理铝合金在熔炼时，极易氧化生成AL2O3，其氧化物比重和合金液比重相 近，如靠它自己上浮或下沉是难以去除的，很容易使铸件形成夹渣。还有 铝合金在高温时吸收氢气，如不去除，也将会使铸件形成气孔。因此，上 述炉料等准备工作很重要。融化后，还要进行精炼处理，首先将旧渣扒去， 用复盖剂复盖，用量为铝液中的0.2%0.5%，做俩次加入，在除气前加入其 重量的1/21/3。再以钟罩压入预热好的精炼剂，用量为铝液重的 0.4%0.5%，精炼处理温
14、度为730750C。分两次加入，第一次压入量为1/2 略多些，处理时间为45min。在除气后扒去熔渣加入其重量的 1/22/3的 复盖剂，静止23min后，即可扒渣进行浇注，浇注温度为 700740 C。3.5.2.3熔体的转送和浇注尽管固态氧化铝的密度近似于铝熔体的密度，在进入铝熔体内部后， 经过足够长的时间才会沉至坩蜗底部。而铝熔体被氧化后形成的氧化铝膜， 却仅与铝熔体接触的一面是致密的，与空气接触的一面疏松且有大量的小 孔，其表面积大，吸附性强，极易吸附水汽，反有上浮的倾向。因此，在 这种氧化膜与铝熔体的比重差小，将其混入熔体中，浮沉速度很慢，难以 从熔体中排除，在铸件中形成气孔、夹杂。
15、所以，转送铝熔体中关键是尽 量减少熔融金属的搅拌，尽量减少熔体与空气的接触。采用倾转式坩蜗浇注熔体时，为避免熔体与空气的混合，应将浇包尽 量靠近炉咀，并倾斜放置，使熔体沿着浇包的侧壁下流，不致直接冲击包 底，发生搅动、飞溅等。采用正确合理的浇注方法，是获得优质铸件的重要条件之一。生产实 践证明，注意下列事项，对防止、减少铸件缺陷是很有效的。（1）浇注前应仔细检查熔体出炉温度、浇包容量及其表面涂料层的十 燥程度，其他工具的准备是否合乎要求。（2）不能在有“过堂风”的场合下浇注，以及熔体强烈氧化，燃烧， 使铸件产生氧化夹杂等缺陷。（3）由坩蜗内获取熔体时，应先用包底轻轻拨开熔体表面的氧化皮或 熔剂层，缓慢地将浇包浸入熔体内，用浇包的宽口舀取熔体，然后平稳的 提起浇包。（4）端包时步子要稳，浇包不宜提得过高，浇包内金属液面必须保持 平稳，不受拢动。（5）即将浇注时，应扒净浇包的渣子，以免在浇注中将熔渣、氧化皮 等带入铸型中。（6）在浇注中，熔体流要保持平稳，不能中断，不能直冲口杯的底孔。 浇口杯自始至终应充满
