铸造铝硅合金综合课程设计指导书

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、镍以提高强度。）

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℃，铝合金的浇注温度一般约在730～750℃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

3.3 实验所需仪器设备

坩埚电阻炉，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埚电阻炉，炉子的大小一般为30-500kg ，电热体有金属（铁铬合金）、非金属（碳化硅）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。坩埚分金属坩埚（铸铁、铸钢、钢板）非金属坩埚（石墨、粘土、炭质）两类。QR 系列坩埚熔化电阻炉如图3-1、3-2所示。

图3-1 QR 系列坩埚熔化电阻炉外形图

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。耐热材料制成的坩埚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 铝合金坩埚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

1—炉壳 2—炉衬 3—加热元件 4—炉盖 5—坩埚 6—倾斜机构 7—支架 图3-2 QR 系列坩埚熔化电阻炉结构图

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（指坩埚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）坩埚及熔炼工具的准备

新坩埚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，并预热至暗红色（500--600度）保温2小时以上，以烧除附着在坩埚内壁的水分及可燃物质，待冷到300度以下时，仔细清理坩埚内壁，在温度不低于200度时喷涂料。坩埚要烘干、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℃～300℃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℃～300℃预热烘干。

（3）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，

晶粒亦愈粗大，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，以便在坩埚底部尽快形成熔池，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1/2~1/3。再以钟罩压入预热好的精炼剂，用量为铝液重的0.4%~0.5%，精炼处理温度为730~750℃。分两次加入，第一次压入量为1/2略多些，处理时间为4~5min。在除气后扒去熔渣加入其重量的1/2~2/3的复盖剂，静止2~3min后，即可扒渣进行浇注，浇注温度为700~740℃。

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埚底部。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。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。

采用倾转式坩埚浇注熔体时，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干燥程度，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）由坩埚内获取熔体时，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，液面不得翻动，浇注速度要控制得当。通常，浇注开始时速度稍慢些，使熔体充填平稳，然后速度稍快，并基本保持浇注速度不变。

（7）在浇注过程中，浇包咀与浇口的距离要尽可能靠近，以不超过50毫米为限，以免熔液过多地氧化。

（8）距坩埚底部60毫米以下的熔体不宜浇注铸件。

3.5.2.4 浇注安全

◇清理浇注场地并使其通畅，不准有积水。

◇参加浇注的人员必须按要求穿戴好防护用品。

◇浇包不能装得太满，以免抬运时溢出飞溅伤人。

◇不准用冷铁棒插入高温液体中去扒渣、挡渣。

◇抬运金属液时，步伐要稳，步调一致，听从指挥。

◇剩余液体要倒在指定位置。

整个熔铸过程概括如下：首先检查电器设备是否正常——送电——原材料准备——预热坩埚至发红——加入小块炉料、熔点较低的回炉料尽快形成熔池——加块度较大的回炉料及铝锭——升温之750℃～760℃待铝合金全部熔化——加覆盖剂——熔毕后充分搅拌——扒渣——精炼除气——扒渣——再加覆盖剂——静置——扒渣——出炉——浇铸。

3.6试样的制备

1）制备过程：合金成分设计和原料称量——→合金溶液的熔炼——→浇注成型——→取样加工——→力学性能测试

2）制备的主要过程为试样的熔炼。按照上述正确操作将合金溶液浇注在模具中，冷却成型后即可用于实验。

3.7 技术路线

结合本指导书和文献资料了

解实训原理及实验方法

各组制定分析实验设计方案

及安排实验流程

｜

进行铝锭、硅锭、微量铜、

铁、镍的合金熔炼

将合金熔浆注入模具

｜

熔浆冷却凝固后取样

连续浇铸4-5个试样

｜

对试样进行力学性能测试

｜

总结实验，分析结果，撰写

实验报告

4. 常见铸件缺陷分析

4.1 氧化夹渣

缺陷特征：氧化夹渣多分布在铸件的上表面，在铸型不通气的转角部位。断口多呈灰白色或黄色，经x光透视或在机械加工时发现，也可在碱洗、酸洗或阳极化时发现（如图4-1）。

产生原因：

产生原因：

（1）炉料不清洁，回炉料使用量过多

（2）浇注系统设计不良

（3）合金液中的熔渣未清除干净

（4）浇注操作不当，带入夹渣

（5）精炼变质处理后静置时间不够

防止方法：

（1）炉料应经过吹砂，回炉料的使用量适当降低

（2）改进浇注系统设计，提高其挡渣能力

（3）采用适当的熔剂去渣

（4）浇注时应当平稳并应注意挡渣

（5）精炼后浇注前合金液应静置一定时间

4.2 气孔气泡

缺陷特征：铸件壁内气孔一般呈圆形或椭圆形，具有光滑的表面，一般是发亮的氧化皮，有时呈油黄色。表面气孔、气泡可通过喷砂发现，内部气孔、气泡可通过X光透视或机械加工发现（如图4-2）。气孔气泡在X 光底片上呈黑色。

产生原因：

（1）浇注合金不平稳，卷入气体

（2）型(芯)砂中混入有机杂质(如煤屑、草根马粪等)

（3）铸型和砂芯通气不良

（4）冷铁表面有缩孔

（5）浇注系统设计不良

（6）熔炼温度过高，氢在铝液中溶解度高，因此在凝固过程中，氢析出形成气孔。

氢的来源： 大气中水蒸气，金属液从潮湿空气中吸氢。 原材料本身含氢量，合金锭表面潮湿，回炉料脏，油污。 工具、熔剂潮湿。

图4-2 有气孔缺陷的铸件实物 防止方法 ：

（1）正确掌握浇注速度，避免卷入气体。

（2）型(芯)砂中不得混入有机杂质以减少造型材料的发气量

（3）改善(芯)砂的排气能力

（4）正确选用及处理冷铁

（5）改进浇注系统设计

（6）选用干燥、干净的合金料。

（7）控制熔炼温度，避免过热，进行除气处理。

4.3 缩松

缺陷特征：铝铸件缩松一般产生在内浇道附近冒口根部厚大部位、壁的厚薄转接处和具有大平面的薄壁处。在铸态时断口为灰色，浅黄色经热处理后为灰白浅黄或灰黑色在x 光底片上呈云雾状严重的呈丝状缩松可通过X 光、荧光低倍断口等检查方法发现。（如图4-3）

（d ）皮下气孔

图4-3 有缩孔和缩松缺陷的铸件实物

产生原因：

（1）冒口补缩作用差

（2）炉料含气量太多

（3）内浇道附近过热

（4）砂型水分过多，砂芯未烘干

（5）合金晶粒粗大

（6）铸件在铸型中的位置不当

（7）浇注温度过高，浇注速度太快

防止方法：

（1）从冒口补浇金属液，改进冒口设计

（2）炉料应清洁无腐蚀

（3）铸件缩松处设置冒口，安放冷铁或冷铁与冒口联用

（4）控制型砂水分，和砂芯干燥

（5）采取细化品粒的措施

（6）改进铸件在铸型中的位置降低浇注温度和浇注速度

4.4 裂纹

缺陷特征(图4-4) :

（1）铸造裂纹。沿晶界发展，常伴有偏析，是一种在较高温度下形成的裂纹在体积收缩较大的合金和形状较复杂的铸件容易出现

（2）热处理裂纹：由于热处理过烧或过热引起，常呈穿晶裂纹。常在产生应力和热膨胀系数较大的合金冷却过剧。或存在其他冶金缺陷时产生。

b)热裂

图4-4 裂纹缺陷

产生原因：

（1）铸件结构设计不合理，有尖角，壁的厚薄变化过于悬殊

（2）砂型(芯)退让性不良

（3）铸型局部过热

（4）浇注温度过高

（5）自铸型中取出铸件过早

（6）热处理过热或过烧，冷却速度过激

防止方法:

（1）改进铸件结构设计，避免尖角，壁厚力求均匀，圆滑过渡

（2）采取增大砂型(芯)退让性的措施

（3）保证铸件各部分同时凝固或顺序凝固，改进浇注系统设计

（4）适当降低浇注温度

（5）控制铸型冷却出型时间

（6）铸件变形时采用热校正法

（7）正确控制热处理温度，降低淬火冷却速度

分析铸件缺陷及生产原因是很复杂的，有时可以见到在同一个铸件出现多种不同原因引起的缺陷，或同一原因在生产条件不同时，会引起多种缺陷。

4.5 浇不足

缺陷特征 （图4-5）:

在充型过程中，金属液停止流动出现在型腔被充满之前，则造成“浇不足”的缺陷。浇不足部位边缘成圆角，多出现在远离浇口的薄壁部位。

图4-5 浇不足缺陷 产生原因：

（1） 浇注温度低，浇注时间过长。

（2） 铸件壁厚太薄

（3） 金属型预热温度低。

（4） 金属型冲型能力低。

防止方法:

（1） 根据合金成分确定浇注工艺。

（2） 提高浇注温度和金属型预热温度。

（3） 适当调整增厚铸件壁厚。

（4） 更改交道形式及浇注位置

（5）提高铝合金液的精炼质量，增加其流动性。

5.实训考核

实训中检验每位同学对铝合金浇铸工艺的掌握程度，对学生所造拉伸试样进行力学性能分析，并给出操作成绩。

思维创新训练：按照分组进行工艺和结果讨论的答辩。结合已掌握的浇铸技术，谈谈如何改进浇铸工艺，浇出合格的高性能铝合金试样。并给出答辩成绩。

总评成绩由操作成绩*50%+答辩成绩*50%组成。

附录：实验报告模板

1. 实验目的与任务

2. 基本要求

3. 实验材料和实验方法

3.1 铸造铝硅合金简介

3.2 铸造铝硅合金成分及主要原材料介绍3.3 实验所需仪器设备

3.4 实验原理

3.5 合金的熔铸

3.6 试样的制备

3.7 测试方法

3.8 技术路线

4. 实验结果与分析

4.1 实验结果

4.2 实验结果分析

5. 实验结论与心得体会

5.1实验结论

5.2心得体会

6. 参考文献