铸造工艺对金属铸锭组织的影响

铸造工艺对金属铸锭组织的影响一、实验目的1．观察金属的结晶过程。2．了解铸造工艺和金属的过热对铸锭宏观组织的影响。二、实验原理金属及合金的晶粒大小、形状和分布与凝固条件、合金成分及其加工过程有关，实际生产中，铸锭不可能在整个截面上均匀冷却，并同时开始凝固。因此，铸锭凝固后的组织一般是不均匀的，这种不均匀性将引起金属材料性能的差异。1.铸锭的典型组织金属铸锭横断面的宏观组织一般是由三个晶区组成。由外向内依次分布为细晶区（外壳层）、柱状晶区和中心等轴晶区，如图1所示。图1金属铸锭横断面的宏观组织第一晶区是铸锭的外壳层，由细小等轴晶粒组成。把液体金属浇入铸型，结晶刚开始时，由于铸型温度较低，形成较大的过冷度，同时模壁与金属产生摩擦及液体金属的激烈“骚动”，于是靠近型壁大量地形核，还由于型壁不是光滑的镜面，晶粒长大时，各枝晶主轴很快彼此相互接触，使晶粒不能继续长大，所以晶粒的尺寸不大，即形成细晶区。图2表示在液体金属和铸型边界上结晶开始的情形。等轴晶粒的第一晶区较薄，因此对铸锭的性能没有显著的影响。第二晶区是柱状晶区。液态金属与铸型接触处的型壁剧烈地过冷是在液体金属和铸型的分界面上生成很多小晶粒的原因，其中过冷与经过铸型激烈地传热有关，随着外壳层的形成，铸型变热，对液态金属的冷却作用减缓，这时只有处于结晶前沿的一层液态金属才是过冷的。这个区域可以进行结晶，但一般不会产生新的晶核，而是以外壳层内壁上原有晶粒为基础进行长大。同时，由于散热是沿着垂直于模壁的方向进行，而结晶时每个晶粒的成长又受到四周正在成长的晶体的限制，因而结晶只能沿着垂直于模壁的方向由外向里生长，结果形成彼此平行的柱状晶区如图3所示。第三晶区是铸锭的中心部分，随着柱状晶的发展，模壁温度进一步升高，散热愈来愈慢，而成长着的柱状晶前沿的温度又由于结晶潜热的放出而有所升高。这样整个截面的温度逐渐变为均匀。当剩余液态金属都过冷到熔点以下时，就会在整个残留的液态金属中同时出现晶核而进行结晶。在铸锭中心散热已无方向性，形成的晶核向四周各个方向自由生长，从而形成许多位向不同的等轴晶粒。在这种情况下由于冷却较慢，过冷度不大，形成的晶核也不会很多，所以铸锭的中心区就形成了比较粗大的等轴晶，如图4所示。等轴晶与柱状晶相比，因各枝晶彼此嵌入，结合得比较牢固，铸锭易于进行压力加工，铸件性能不呈现方向性。其缺点是因树枝晶较发达，分枝较多，显微缩孔增多，使结晶后的组织不够致密，重要工件在进行锻压时应设法将中心压实。铸锭的典型组织示意图如图5所示。图5铸锭的典型组织示意图1－表层细晶区；2－柱状晶区；3－中心等轴晶区2.获得柱状晶的因素（1）金属在熔化温度以上剧烈过热并使液体的浇铸温度增高。（2）采用传热系数高、导热快的铸型，例如金属型和水冷却的铸型等。（3）液体金属在铸型内静止冷却（在冷却时没有搅拌振动等因素）。3.获得等轴晶的因素（1）液体金属过热不大，而且浇铸温度较熔化温度高出不多。（2）使用容量和导热系数小的铸型（如陶瓷型或砂土型），使其缓慢冷却或均匀散热。（3）在冷却过程中搅拌铸型中的液体金属。（4）液体金属中有难熔杂质的存在。铸锭是液体金属在不同材料的铸型中或者同样材料不同厚度的铸型中冷却后得到的。本实验是研究上述因素对铝铸锭横断面的宏观组织的影响，也要研究液体的浇铸温度和铸型的温度（金属浇入铸型之前的温度）对铸锭宏观组织的影响。三、实验设备及材料井式坩埚电阻炉，石墨坩埚，全套金属模型和砂模型，放大镜，印记，纯铝，金相砂纸，显示铝铸锭宏观组织的浸蚀剂（王水或40%NaOH的水溶液）等。四、实验方法与注意事项1.铝铸锭试样的制作(1)把纯铝放入经预热发红的石墨坩埚中，升温使其熔化，当铝液温度达到720℃或者到820℃时,浇入冷金属模、冷砂模、热金属模（在箱式电炉中预热到300℃），这样一共可进行六种作业：①720℃铝液浇入室温的金属模中。②720℃铝液浇入预热的金属模中。③720℃铝液浇入冷砂模中。④820℃铝液浇入室温的金属模中。⑤820℃铝液浇入预热的金属模中。⑥820℃铝液浇入冷砂模中。（2）用钳子从炉中取出盛有金属的坩埚浇入铸型中，当铸型中的液体金属凝固后，取出铸锭，并用印记打上号码，然后用手锯将铸锭沿横断面锯开。（3）锯开的铸锭制作宏观试样，其步骤如下：①将试样用180号砂纸磨光。②用水清洗后用苯除去油迹，再用酒精除去水渍并吹干。③用适当的浸蚀剂浸蚀。先用40％NaOH水溶液浸蚀，如浸蚀不出，可改用王水，时间3～5min。④浸蚀后在水中冲洗并吹干。2.铝铸锭宏观组织的观察观察铝铸锭的晶粒大小、形状及分布情况，并注意观察缩孔、气泡、树枝状晶的特征。3.实验注意事项（1）浇铸前，所有模具和工具都要预热干燥，防止浇铸时爆炸伤人。（2）接触液体金属时需要特别小心，当用抱钳夹持盛有液体金属的坩埚或热的金属模块时，特别要保护眼睛不受烧伤，不要让水或其他液体溅到热金属表面上。（3）本实验用的浸蚀剂有王水，应在通风橱中或在通风条件下进行浸蚀，经过浸蚀后的试样要用钳子来拿，首先要在盛水的容器内洗净，然后才可以在水龙头下冲洗。五、实验报告要求1.根据各组交换铝铸锭宏观试样的结果，绘出不同加热温度与铸造工艺条件下铸锭的宏观组织图，示意表示各晶区的分布、晶粒的形状和大小。2．分析说明实验中采用的浇铸工艺条件的差异对铸锭组织的影响。图2最初开始结晶示意图图3柱状晶形成示意图图4中心等轴晶形成示意图一种新的熔炼技术美国能源部(DOE)与阿波格技术公司(ApogeeTechnologyInc.)开发的等温熔化工艺(ITM-IsothermalMelting)在铝及铝合金熔炼技术发展过程中具有里程碑意义。在此,“Isothermal”即“恒温(constanttemperature)”之意,能使等温熔化炉的铝熔体池(Moltenaluminumpool)内的铝熔体温度既均匀又几乎在同一温度。等温熔化技术的推出是铝熔炼的一次革命,在节能减排方面有着重大意义。此项技术已进入商业化阶段,当然要获得全面推广与应用还需要一个发展过程,还需要一些时日。等温熔化技术是由阿波格直接浸没式电加热器、隔墙与侧通道(BSPP-Baffleandsidepocketpan鄄el)等组成的铝及铝合金熔炼系统的总称,我们将其称为等温熔炼炉。世界上首台等温熔炼炉于2003年11月3日在阿波格技术公司试运转成功,宣布此项技术的呱呱坠地。熔化的铝熔体在中间处理区进行成分均匀化与除气、净化处理,铝熔体池实际上起静置炉作用。投资大为下降;炉结构简单,即简单的硬件;熔炼炉的占地面积仅相当于常规反射熔炼炉占地面积的1/5;不散发污染物,熔炼车间无污染,空气清新;对炉料进行三维加热(Volumetricheating),即不会形成温度梯度———无热成层现象(thermalstratification);熔体温度均匀一致,成分均匀;熔体品质大大提高,熔解的气体与固体夹杂物少;电阻加热器的热效率高达97%;铝等金属的熔炼潜在损耗可由6%降低到小于2%;此项虽然首先应于铝的熔炼,但同样适合于熔炼铜、玻璃、钢、铸铁、铂等,以及其他工业部门;就美国2004年而言,如果铝工业的熔炼炉由反射炉全部改用等温炉,那么由于热效率的提高,全行业可节约能源达18TBTU(1T=1012,1BTU=1055J,);另外,由于熔炼时铝的烧损可减少约4个百分点,可节约铝提取能源54.5TBTU(含电的损耗);由于熔化效率提高,碳的排放量可减少0.6×106TCE(原文为MTCE公吨碳当量),而由于熔炼烧损的下降,可减少碳排放量2.4×106TCE。等温熔炼技术的应用与推广对节约两源(能源与资源)与减少温室气体排放有着重要意义,粗略地匡算了一下,2006年我国铝材加工业与铸造业共熔化原铝锭、工艺铝废料与再生废旧铝约1600kt,按熔炼油耗80kg/t铝计算,消耗柴油约128kt,如果用等温熔炼炉熔化可节约50%的能源,即可节约64kt柴油;从铝的炼损下降可节约640kt铝,相当于一个特大型铝厂一年的产量;温室气体的排放可减少5.5×106TCE(吨碳当量)。等温熔炼技术在美国铝工业已进入初步商业化实用阶段,正在作进一步的完善与扩大工作。此项技术涉及到100余项专利,引进费用昂贵。THEEND!