熔炼与铸锭技术

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1、熔炼与铸锭技术（24 学时）刘会群材料科学与工程学院第一讲 绪论1.1 金属熔炼与铸造的历史 1.2 什么是熔炼 1.3 什么是铸造 1.4 熔炼与铸造过程中涉及的 主要问题 1.5 本课程的主要内容21.1 金属熔炼与铸造的历史 人类文明史就是人类使用材料的发展历程，其中熔炼与铸造技术也不断进步。 旧石器时代：几十万年至大约 1 万年前 新石器时代：1万年至 6000年前 青铜时代：公元前 3-4 千年至公元前 1 千多年 铁器时代：公元前1000 多年-20世纪 多元材料时代： 自 20 世纪下半叶起 金属与埃及古代文明公元前三千至四千年，居住在两河流域的苏美尔人已用金制造工具。新石器时代

2、末埃及人开始进行金的加工。公元前2900 年，古埃及国家的创始者麦涅斯 决定以 14 克重的黄金来计量价格。早在4000 多年以前，埃及金属加工工艺已达到相当高 的水平。在古埃及第四王朝（公元前2613 年至前 2494 年）麦列鲁布法老的陵墓中，曾发现 有一套金匠制作金器的雕画，这些雕画展示了4000 多年前古埃及人进行黄金加工的情景。 而最为人所知的，同时也是世界上最精美的金器则是目前保存在大英博物馆的埃及第十八王 朝国王图坦卡蒙（约公元前1360 年）的黄金面具、黄金座椅等黄金器物。右图展示一个用 110 多公斤 的黄金铸成的图坦哈蒙纳法老的金石椁， （公元前 1350 年），加工十分精

3、致。埃及人制取青铜铸件图（大约公元前1450 年）中国古代的青铜器冶铸技术青铜，是指红铜与锡、铅等其它化学元素组成的合金，因颜色呈青灰色而得名。青铜器 在中国原始社会末期已经被制造出来，之后中国经历了长达十六个世纪的青铜时代，创造了 辉煌灿烂的文明。 目前已知最早的青铜制品是在甘肃东乡林家马家窑文化遗址中出土的一 件单范铸造的青铜刀，装饰较少，反映出远古先民纯朴的审美意识。夏代（21世纪B.C16世纪B.C）的青铜器中已经有了象征身份等级的礼器，与礼制 的政治制度相呼应。商代（16世纪B.C11世纪B.C）青铜器发展到鼎盛，大型器物迭见， 花纹繁缛精致，并有一些神秘主义的色彩。西周时期（11

4、世纪 B.C 776B.C ）青铜器与礼制的结合更加紧密，冶铸技术日趋成 熟，出现了长篇铭文，成为珍贵的历史资料。春秋战国（776B.C221B.C）时青铜器一改 过去的设计，风格纤巧、清 新，普遍采用更高水平的制作工艺，极富地方性和生活色彩。 秦 代以后（221B.C1840A.D）,礼器比重大减，钱币、度量衡和铜镜经过更新、创制，成 为中国封建社会青铜器的主流，在漫长的时间里， 中国的青铜器铸造技艺一直保持着其他 国家望尘莫及的水平。 青铜器，集造型、雕塑、绘画等多种艺术之成，具有极高的实用价 值和 艺术审美价值，是中国文物艺术中的瑰宝，也是世界美术史上的精华， 是中国金属材 料科学技术的

5、骄傲。殷商时期殷商时期是我国青铜文化繁荣、昌盛的时期。这个时期内创造出大量造型艺术和工艺技 术上都十分精湛的青铜器。 年代最早的殷商青铜器是在河南偃师二里头出土的一件铜爵， 其化学成分 分析发现含铜92%，锡7 %，是铜锡合金。二里头遗址出土的青铜器已表现 出 一定的铸造水平，因此，推测在商代以前，即夏代，已经有了青铜器。殷商中期的青铜器比早期有较大的发展，种类更多，金容器就有鼎、鬲、爵、卣（you）、 觚、盘等十多种。这个时期的青铜器大多是采用多块陶范组成器型一次浇注而成，化学成分 为：铜约 81-88% ，锡和铅分别 5-8%和 16%。 殷商晚期使我国青铜文化的鼎盛时期， 1959 年在

6、安阳殷墟遗址发掘到具有 相当规模的铸铜作坊遗址，获得数以千计的各类陶范及大量 的坩埚残片。司母戊鼎（商代）通高133厘米，重875 公斤， 1939年河南省安阳殷墟出土，现藏中国历史博物馆司母 戊鼎因其腹内壁 上有铭文“司母戊”三字而得名，是商王 祭祀其母（名戊）的纪念器物。r司母戊大方鼎的铸造 司马戊大方鼎是殷商青铜器的第一重器，它集中地显示了殷商晚期冶铸业的技术水平和 生产能力。 这件鼎的鼎身和鼎足是整体铸造的，鼎耳是在鼎身铸好后再在其上安模、翻范、 浇注成型的。鼎身是由四块腹范、一块底范、 一块芯座、另加四块浇口范组成。浇铸这件 鼎所需的金属料在 1000 公斤以上。 铸造是需要专门的化

7、铜炉熔化铜和其他金属，浇铸时 可能采用 槽铸的方式。 司马戊大方鼎的化学成分是：铜 84.77%、锡11.64%、铅 2.79%， 合乎所谓的钟鼎之齐六分其金而锡分其一。四羊方尊（商代）通高58.3 厘 米 ，1938 年 湖南省宁乡县出土，现藏中国历史博物馆在中国古代青铜 器中， 有不少器物以其独特的 造型而引人注目，四羊 方尊便是其中一例。它的造型动静 结合，寓雄奇于秀美之间，可谓巧夺天工。四羊方尊的造型和铸造技术特点尊的四肩、腹部及圈足设计成四个大卷角羊，增加了变化，在宁静中突出威严的感觉 方尊的边角及每一面的中心线的合范处都是长棱脊，其作用是以此来掩盖合范时可能产生的 对合不正的纹饰。

8、同 时也用以改善器物边角的单调感，增强了造型的气势。 羊角是事先铸 成后配置在羊头的陶范内，再合范浇铸的，因为技艺高明，才使全器有浑然一体的感觉。铜 尊盛行于商代和西周时期，是一种饮酒用具。这件四羊方尊是我国现存商代青铜方尊中最大 的一件，是商代方尊的代表，重达34 公斤，加上它独一无二的造型，理当进入文物精品之 宝库。失蜡法的起源与发展失蜡法是冶铸史上的一项重大发明。失蜡法利用室温以固态存在，温度较高时熔化的物 质（如蜡、动物油脂等）作模具，铸造过程是：用粘土制作模芯，干燥后，在模芯上涂上蜡 和油脂（可厚至数寸），油脂和蜡硬化后，在其上面造型，雕刻文字和图像，再将细沙土调 和为泥复于蜡上，内

9、外干透后，外施火力将油蜡溶化并从留下的口子流掉，留下一内空的型 腔，将熔化的金属液倒入其中，模具被熔烧掉，得到复杂形状的整体铸件。一般认为：西亚 和印度等地区于公元前第三千年中晚期就使用了失蜡法铸造小型物品。根据考古的发现，失 蜡法在中国的起始年代为公元前七世纪的春秋中期或更早。中国失蜡法虽然比较后起，但由 于青铜冶铸业高度发达，这一技术很快处于世界前列。铁的发现和利用人类最早使用的铁来自宇宙。平均每天坠落到地球上的物质-陨石或者尘埃有六吨左右。 陨石的组成元素主要是铁，其次是镍和钴。 美国的亚里桑纳州的魔鬼山谷，陷口直径1200 米，深度约为200 米，史前时期，在此落过一枚陨石，估计重1

10、千万吨。 爱斯基摩人的铁 陨石，重34 吨，现藏纽约自然历史博物馆。在公元 2000 年以前，铁远比铜贵重，国王把铁块作为珍贵的金属珍藏在自己的宝库里。现 在仍难以确切给出世界各地进入铁器时代的时间表。生吹炼铁法生吹炼铁法是一种古老的炼铁技术。这种技术的要点是借助于矿石的直接还原制取可锻 海绵铁。十八世纪，这种技术在西方国家得到广泛使用。在欧洲，这种技术一直使用到1850 年，在北美甚至延用到1890 年。在用生吹炼铁法制铁的过程中，工人把木炭和粉碎的矿石分层装入炉膛，炉前工操纵鼓风设 备，炉渣从炉内侧孔道流出。经过4-8小 时后，炉工用铁棒从炉中取出带夹渣的铁粒粘团 海绵料-熟铁块， 由两个

11、工人反复锤打该铁块，至所需形状。十五世纪，奥地利的冶金工匠使用的生吹炉平均容量为1.1-1.7 立方米，一昼夜可熔化金属 1200-1300 公斤。中国古代钢铁技术早在公元前13-14世纪，中国人就已识别和使用了铁。口目前所知的我国最早经人工冶炼的铁是江苏六合出土的春秋晚期铁条和铁块。口 战国中期以后，铁器取代铜器和木、石、骨器成为主要的生产工具。口 西汉三大手工业，冶铁业是最重要的。全国设有49处铁官，铁的年 产量已相当可观。 从西汉后期进入完全的铁器时代到魏晋南北朝时中国制钢术大发展 的时期。 从唐宋到明中叶使我国古代钢铁技术全面发展和趋于稳定的时期。明中叶到鸦片战争，由于帝国主义侵略，中

12、国的钢铁技术发展缓慢，未能实现向现代钢 铁技术转化。天工开物生熟炼铁炉图近代钢铁工业的快速发展十八世纪末，从英国纺织生产开始的工业革命刺激了黑色冶金工业。十九世纪钢铁工业迅速发展。首先是贝斯麦发明了贝氏炼钢法（酸性转炉炼钢法），接 着托马斯发明了托氏炼钢法（碱性转炉炼钢法），1864 年又出现了马丁平炉炼钢法，这种方 法直到今天还在使用。由于这些发明，世界终于从缺钢的困境中摆脱出来，1870 年英国的钢产量突破了500 万 吨。强大的钢铁生产能力也就奠定了英国的世界强国的地位。现代高炉炼铁把含氧化铁的矿石与焦炭一起加热，就会炼成金属铁。现代炼铁都在高炉内进行。最大 的高炉容积已经超过 1 万立

13、方米。高炉内发生的化学过程又多又复杂，但可用最简单的形 式归纳为：铁的氧化物+碳f铁+碳的氧化物 （矿石） （焦炭）（金属） （煤气） 碳钢与合金钢我们把含碳量在0.02wt%-2.11wt%的铁碳合金称为钢。在钢中加入Mn, B, Cr, Ni, Mo, V W等合金元素就得到各种各样的合金钢。 铝合金由于 Al 易氧化，故出现较晚，大约在 19 世纪末至 20 世纪初。 其他合金随着科技的发展，在20世纪后半叶，出现了新的合金（铸造Mg、Zn、Ti等合金）及 其熔炼方法。现代常用的熔炼技术：（1）坩埚炉及感应炉熔炼技术（2）反射炉熔炼技术（3）快速熔炉熔炼技术（4）真空炉熔炼技术(5) 真

14、空感应电炉熔炼技术(6) 真空电弧炉熔炼技术(自耗、非自耗和凝壳)(7) 电子束熔炼技术(8) 等离子炉熔炼技术(9) 电渣炉熔炼技术1.2 什么是熔炼 将基体金属、合金化元素以及中间合金等放入熔炼炉中，并加热，使之由固态变为液态 并进 行合金化元素调整、脱气、除渣等，以达到铸锭 所要求的成分的过程。各种金属的性 质差异大，因此其熔炼方式具有不同的特点。1.3 什么是铸锭 铸锭是将金属液铸成特定形状、尺寸、成分 和质量符合要求的锭坯。铸锭要满足下列 要求：(1) 锭坯形状和尺寸必须适合压力加工的要求，否则会增加工艺废品及边角废料； (2) 锭坯内外不应有气孔、缩孔、夹渣、裂纹及明显偏析等 缺陷

15、，表面光洁平整； (3) 锭坯的 化学成分符合要求，结晶组织基本均匀，无明显的结晶弱面和特粗晶粒。1.4 熔炼与铸锭过程中涉及的主要问题 金属的氧化、挥发；熔炼过程的吸气、脱气；金属的凝固；铸锭的组织控制；铸锭的缺 陷；1.5 本课程的主要内容1. 有色金属熔炼的基本原理2. 有色金属铸锭凝固的基本原理3. 有色金属熔铸技术 有色金属在熔炼和铸锭过程中与炉气、炉衬、溶剂、涂料、空气和水蒸气等环境因素相 互作用的基本规律。 熔铸工艺参数对熔体中的气体及夹渣含量和铸锭的凝固过程、结晶 组织、溶质再分布及 偏析、裂纹等缺陷所产生的影响及变化规律。教材：有色金属熔炼与铸锭，章四琪 黄劲松 主编，化学工业出版社 参考书：