液态金属成型实验教材

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1、液态金属成型综合实验教程华中科技大学材料学院液态金属成形是将金属加热到液态，使其具有流动性，然后浇入到具有一定的形状的型腔中，液态金属在重力或外力（压力、离心力等）的作用下充满型腔，冷却并凝固成具有型腔形状的铸件。金属熔炼与浇铸成型是液态金属成形的两个环节，液态金属成型实验主要围绕这两个方面的内容来进行。一是金属液的熔化及凝固，着重探讨铝合金熔化及凝固过程中的问题，如金属液的精炼、变质处理工艺对铝合金液体质量的影响，冷却速度、震动等对合金凝固组织的影响；二是探讨不同的成型工艺，如分别采用消失模铸造、金属型铸造

2、、离心铸造等工艺，通过实际造型、浇注、解剖分析，结合CAE软件，分析相关铸造工艺的特点及有关铸造缺陷产生的基本原理。液态成型实验强调与其他实验课程的衔接，如实验中合金凝固组织的制备与分析可与机械大类“材料制备及组织性能”相衔接；消失模铸造中所用的泡沫模样和离心铸造用的原型以可由“模具CAD/CAM/RPM综合实验”来完成。液态金属成型综合实验的总体框图如下图所示：图1液态成型实验组织框图实验一、铝合金熔炼及结晶凝固实验本实验将铝合金熔化、精炼、气体含量检测（减压凝固实验）、金属液的振动结晶等实验综合起来，通过

3、观察凝固后的组织变化及力学性能实验检测，达到使学生认识、深入理解或研究通过组织控制能够提高材料或铸件的性能的目的。一、基础理论液态金属的熔炼是铸件形成过程的重要环节。铝合金的熔炼一般工艺流程如下图所示：图2铝合金熔炼的一般工艺流程由于铝合金的熔炼金属熔炼与铸造多敞开在大气中进行，高温炉料和熔化了的铝合金液，都与空气和炉气中的气体接触，使铝合金吸气。另外加入到炉料中的中间合金、熔剂等都可能带来气体及杂质，这些都是导致金属液吸气、氧化，形成气孔和夹杂的根源，进而对铸件的内部及表面质量、物理性能、力学性能及铸造工艺

4、性能带来较大的影响。因此对金属液进行精炼、净化处理，排除气体及夹杂物，提高合金液的纯净度就显得十分重要。常见的铝合金精炼方法主要有C2Cl6精炼、无毒精炼剂精炼及吹氩气精炼等，不同的精炼方法及精炼处理工艺，精炼效果有较大的不同。铸件的性能与金属宏观组织的晶粒形态、大小、取向、分布有着密切的关系。细小的等轴晶、位相排列杂乱无序、晶界面积大，则力学性能不受方向性影响，其杂质、缺陷分布较分散，化学物理性能较均匀。因此，致密的等轴晶使得金属材料具有优良的力学性能。而柱状晶横向长大时，受到相邻晶体的阻碍。枝晶得不到充分

5、的发展，分枝较少，晶体比较粗大，晶界面积较小，位向一致。其性能具有明显的方向性。纵向和横向力学性能有较大的差别。对于普通金属结构材料，通常是不希望得到柱状晶组织。在金属凝固过程中，采用强化非均质生核和促进晶粒游离的手段，可以抑制金属凝固过程中柱状晶区的形成和发展，可获得等轴晶组织。研究表明，非均质晶核数量越多，晶粒游离作用越强，溶体内部越有利于游离晶的残存，所形成的等轴晶就越细。在实际生产中，控制金属的晶粒形态的方法有：A、控制金属结晶热力学条件（如低温浇注、合适的冷却条件、合理的浇注系统）；B、孕育或变质处

6、理，以增加结晶核心或改变晶体的生长机制；C、采用物理的方法，如采用振动促进晶粒细化，改善金属性能。典型的ZL105熔炼工艺如下：(1)熔炼前的准备工作1）清洁坩锅；2）余热坩锅及工具到200～300℃；3）对坩锅及工具喷涂（刷）涂料；4）清理预热炉料；5）准备好熔剂及变质剂；（2）配料计算由于熔炼中Si、Mg烧损达，成分含量的变化大，故应按标准成分的上限计算配料。（3）装炉次序及装料1）回炉料；2）铝硅中间合金；3）铝锭。（4）熔化及精炼炉料装好后，升温熔化炉料，等炉料全部熔化后，除净熔渣，加入熔剂。当温度达

7、到680℃时，用钟罩将预热到200～300℃的Al-Mg中间合金或金属镁块亚入熔池中心离坩锅底150mm的深处，并慢慢回转和移动，时间为3～5min,然后升温到730～750℃，用氩气或C2Cl6精炼10～15min。待精炼完毕后，静置1～2min后，取试样作炉前分析。如炉前成分发现合金成分低于或高于标准成分，则应立即进行调整成分的工作。（5）变质处理加入炉料总重量的1.5～2.5%的变质剂进行变质处理，变质时间15～18min。（6）浇注当温度达到750℃时，扒渣出炉，用坩锅或手抬浇包盛取合金液，将合金液浇

8、入铸型。二、实验目的及内容1、目的铝合金熔化后，通过不同的除气及精炼方法处理后进行减压凝固实验，观察含气量的高低及气孔的析出，观察精炼处理对金属液吸气量的影响。通过液态纯铝在不同振幅、频率条件下振动结晶，观察振动时金属液的晶粒组织的影响。2、内容1)铝合金的熔炼工艺实验。探讨不同熔化工艺、精炼工艺及变质工艺对铝合金铸件组织性能的影响；2)金属液气体含量检测实验。通过减压凝固仪检测不同熔化精炼工艺下铝