熔炼、铸造和均质的基础理论

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1、有色金属熔炼和铸造一.基本原理1.熔炼和铸造的定义:熔炼的含义:就是将各种胚锭通过加温重熔的方法,实现由固态向液态转变的同时,进行合金化的过程.在熔炼的过程中,将实现净化除杂的目的.铸造的含义:将符合铸锭要求的金属熔体通过转注工具浇入到具有一定形状的铸模中,使熔体在重力场或外力场的作用下充满模腔,冷却并凝固成型的工艺过程.它不仅要实现外部定型,而且还要实现对内部的微观组织结构的调控.二.铝及其合金的熔炼1.熔炼的传热过程铝的熔点虽然很低(660℃),但由于熔化潜热(395.56kJ/kg)、固态热容(1.1386kJ/kg.℃)和液态热容(1.046kJ/kg.℃)都较高,而铝的黑度是铜铁的1

2、/4,所以铝熔炼耗能大,很难实现理想的热效率。热的传递方式有三种,传导、对流和辐射。要提高金属的受热量,一方面提高炉温,这对炉体和熔体都不利,另一方面铝的黑度小,故提高辐射传热也是有限的,因此只能着眼于增大对流的传热系数(αc),它与气流速度的关系:2αc=5.3+3.6v[kJ/(mh.℃)]V<5m/s时0.782αc=647+v[kJ/(mh.℃)]V>5m/s时可见提高燃烧的气流速度是有效的。2.合金元素的溶解和蒸发2熔炼温度下(700℃)几种元素在铝中的扩散系数为(cm/s):Ti:0.66,Mo:1.38(760℃),Co:0.79,Ni:1.44,Si:14.4,通常情况下,与铝

3、形成易熔共晶的元素,一般较易熔解,与铝形成包晶转变的,特别是熔点相差大的元素较难于溶解。在相同溶解条件下,一般蒸气压高的元素容易挥发,可把常用的铝合金分为两组:1Cu、Cr、Fe、Ni、Ti、Si、V、Zr等元素的蒸气压比铝的小,蒸发慢,Mn、Li、Mg、Zn、Na、Cd等元素蒸气压比铝的大,容易蒸发,在熔炼过程中损失较大。3.熔炼的吸气过程铝—氧反应金属以熔融态或半熔融态暴露于炉气中并与之相互作用时间越长,往往造成金属大量吸气,氧化和形成其它非金属夹杂,其反应分为:吸附、界面反应和熔解(扩散)。Al+O2=Al2O3铝和氧的亲和力很大,高温下强烈氧化生成Al2O3。生成的氧化铝是十分稳定的固

4、态物质,形成致密的氧化膜,连续覆盖于铝的表面,可防止铝的进一步氧化,但过多的Al2O3将成为产生铝锭夹渣的主要原因。温度较低时,生成γ--Al2O3,此种氧化3物密度为3470kg/m、致密度高,厚度较大,在10000nm,800℃时可以达到2000nm,金属离子难于通过氧化膜。所以铝在大气中700℃时熔炼24℃时,800℃熔炼8h,如果不破坏原来的氧化膜,熔体不会继续氧化。如果熔体温度达到900℃时,γ--Al2O3转变成稳定的O3六面体晶体α--Al23,密度为3950~41003470kg/m,该转变使体积缩小13%,使氧化膜产生收缩裂纹,其连续性遭到破坏,氧化加剧进行。-10γ--Al

5、2O3的外表面是疏松的,存在直径为(50~100)×10m的小孔,易吸附水汽,熔炼温度下γ--Al2O3表面含有1%~2%的水,并且只有完全转变成α--Al2O3才完全脱水。所以在熔炼过程中把这样的氧化膜搅入熔体中,水会与铝熔体反应生成H2。铝液中加入碱金属及碱土金属时,因为其表面活性大,且与氧的亲和力大,附集于表面优先氧化,改变了氧化膜的性质,形成多空孔疏松的氧化膜,使铝液氧化无法控制。如铝熔体中镁含量大于1.5%时,表面膜已全由多孔疏松的氧化镁构成。此时加入少量的Be(0.03~0.07%Be),可提高氧化膜的致密度,因铍为活性物质,原子体积小,扩散快,渗透入MgO膜的疏松孔洞中,形成致密

6、的BeO阻止进一步氧化。氧化膜的作用可如下:a防止熔体的进一步氧化b防止易挥发性合金元素的挥发c防止熔体与水蒸气反应使熔体吸氢但是在排气时氧化膜也会妨碍H2的排出。铝—水气反应低于250℃时,铝和空气中的水蒸气接触发生下列反应:22Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2Al(OH)3是一种白色粉末,没有防氧化的作用且易吸潮,称为“铝锈”。高于400℃时,2Al+3H2O→Al2O3+6[H],生成的游离态的[H],极易熔解于铝液中,它是铝吸氢的主要途径。生成的游离态的原子[H],极易熔解于铝液中,高温下Al(OH)3在炉内分解成H2O,又与Al反应生成[H],所以,铝锭和废料长期露天放置,是

7、造成熔体含氢多的主要原因。[H]极易溶解于铝中,是因为此反应中产生的氢原子的分压力远比氢分子离解时的分压力大。727℃时正常情况下大气中的水分压保持在1333.2Pa,在金属—气体反应界面处,1053氢的平衡分压可达到0.90*10Mpa,此时氢在熔体中的含量可达到3.24*10cm/100gAl。气体在熔体中的存在形式:①以气体夹杂或气泡形态②以固态化合物形式存在③以液态或固态溶液,即以原子或离

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