有色金属熔炼与铸锭

一、填空题

1.铸锭正常晶粒组织可分为表面细等轴区、柱状晶区和中心等轴晶区。

2.液体金属的对流可分为动量对流、自然对流和强制对流。

3.气孔形成方式可分为析出型气孔和反应型气孔。

4.连铸主要可分为立式、卧式、立弯、弧型。

二、简答题

1.叙述偏析的种类。

答：显微偏析：枝晶偏析、胞状偏析、晶界偏析。宏观偏析：正偏析、反偏析、带状偏析、重力偏析、V形偏析。

2.简述铝合金晶粒细化技术。

答：增大冷却强度：采用水冷模和降低浇温。

加强金属流动：改变浇注方式、使锭模周期性振动、搅拌。

变质处理：向金属液内添加少量物质，促进金属液生核或改变晶体生长过程的一种方法。

3.成分过冷及其导致的凝固组织特点

答：在固溶体合金凝固时，在正的温度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差别，导致固液界面前沿的熔体的温度低于实际液相线温度，从而产生的过冷称为成分过冷。

随着成分过冷由弱到强，单相合金的固/液界面生长方式依次成为平面状、胞状、胞状-树枝状和树枝状四种形式，得到的晶体相应为平面柱状晶、胞状晶、胞状枝晶以及柱状枝晶和自由枝晶。

4.铝合金变质处理的目的及其机理

答：目的是为了获得细小的晶粒尺寸，改善合金的铸造性能和加工性能，提高合金的强度和塑性。

机理：一是以不溶性质点存在于金属液中的非均质晶核作用；二是以溶质的偏析及吸附作用。

5.枝晶偏析和晶界偏析及其成因。防止偏析的主要途径。比较连铸、铁模铸锭和砂模铸锭这三种工艺的组织偏析状况。

答：在生产条件下，由于铸锭冷凝较快，固液两相中溶质来不及扩散均匀，枝晶内部先后结晶部分的成分不同，这就是枝晶偏析。

K＜1的合金凝固时，溶质会不断自固相向液相排出，导致最后凝固的晶界含有较多的溶质和杂质，即形成晶界偏析。

防止偏析的主要途径：增大冷却强度，搅拌，变质处理，采用短结晶器，降低浇温，加强二次水冷，使液穴浅平等。

连铸的偏析很低，铁模铸锭的偏析也较低，而砂模铸锭的偏析较高。

6.为什么黄铜的夹杂含量要好于紫铜。

答：黄铜含大量易挥发和氧化的锌，在熔炼温度下的蒸气压相当高。含锌量越高，越易氧化和挥发熔损。在960℃时，锌蒸气会把黄铜内的氢、水、气体以及杂质带出。因此黄铜的夹杂含量很低。紫铜中铜的纯度达到99.95%，杂质只能通过静置法和扩散除去，夹杂量比较高。因此黄铜的夹杂含量要好于紫铜。7.铝合金返回料通常只能降级使用，讲讲其中的原因。

答：铝合金返回料由于在熔炼过程中对炉衬的冲刷作用，会带入新的杂质元素，以及随着熔炼次数的增加，杂质含量会逐步地累积，使原本的杂质含量超标，因此铝合金返回料通常只能降级使用。

三.问答题

1.金属在熔炼过程中会发生高温氧化熔损，叙述影响金属氧化的因素及降低氧化的方法。

答：影响金属氧化烧损的因素：

金属及氧化物的性质纯金属氧化烧损的大小主要取决于金属的亲和力和表面氧化膜的性质。

熔炼温度熔炼温度越高，氧化烧损就越大。

炉气性质炉气的氧化性强，一般氧化烧损程度也大。其他因素使用不同的炉型，其熔池形状、面积和加热方式不同，氧化烧损程度也不同；在其他条件一定时，熔炼时间越长，氧化烧损也越大。

降低氧化烧损的方法：

选择合理炉型

采用合理的加料顺序和炉料处理工艺

采用覆盖剂

正确控制炉温

正确控制炉气性质

合理的操作方法

加入少量α＞1的表面活性元素。

2. 熔剂在熔炼中的作用，铝合金常用熔剂配方及铜合金常用熔剂配方。

答：熔剂与金属熔体直接接触，参与其间的物理化学反应和传热过程。通过对所使用的熔剂成分、性能和加入量的调整，可以提高除渣脱气精炼效果，减少金属氧化、吸气、挥发和与炉衬的相互作用，提高金属质量和收得率以及延长炉衬寿命。同时还可借熔剂来加入合金微量元素和作变质剂，以抑制一些微量杂质的有害作用，改善合金的工艺性能。此外，电渣炉中的熔剂作为电阻发热体，起着重要的精炼意义。

铝合金覆盖剂50%NaCl+50%KCl 精炼剂细化剂45%NaCl+40%NaF+15%Na

3

AlF

6

铜合金常用木炭和米糠作覆盖剂。

3.金属在熔炼过程常产生夹渣，请叙述夹渣种类和来源和除渣精炼原理及这些原理应用在何种合金冶炼中。

答：种类：按夹渣的化学成分不同可分为氧化物、复杂氧化物、氮化物、硫化物、氯化物、氟化物、硅酸盐、碳化物、氢化物及磷化物等。

按夹渣的形状可分为薄膜状和不同大小的团块状或粒状夹渣。

来源：外来夹渣，由原材料带入的或在熔炼过程中进入熔体的耐火材料、溶剂、锈蚀产物、炉气中的灰尘以及工具上的污物等。

内生夹渣，在金属加热及熔炼过程中，金属与炉气和其他物质相互作用生成的化合物。

原理：A比重差作用，当金属熔体在高温静置时，非金属夹杂物与金属熔体比重不同，因而产生上浮或下沉。比重差作用原理主要适用于Cu及Cu合金中。B吸附作用，向金属熔体中导入惰性气体或加入溶剂产生的中性气体，在气泡上浮过程中，与悬浮状态的夹渣相遇时，夹渣便可能被吸附在气泡表面而被带出熔体。通常适用于Al及Al合金中。

C溶解作用，非金属夹杂物溶解于液态溶剂中后，可随溶剂的浮沉而脱离金属熔体。适用于Al及Al合金中。

D化合作用，化合作用是以夹渣和溶剂之间有一定亲和力并能形成化合物或络合物为基础的。适用于熔炼温度较高的铜、镍等合金。

E机械过滤作用，当金属熔体通过过滤介质时，对非金属夹杂物的机械阻挡作用。过滤介质间的空隙越小，厚度越大，金属熔体流速越低，机械过滤效果越好。适用于含有与熔体密度相差不大、粒度甚小而分散度极高的非金属夹杂物的金属。

4.对流对金属凝固组织的影响。

答：金属的对流能引起金属液冲刷模壁和固液界面，造成温度起伏，导致枝晶脱落和游离，促进成分均匀化和传热。

对流造成的温度起伏，可以促使枝晶熔断。在对流的作用下．熔断的枝晶将脱离模壁或凝壳，并被卷进铸锭中部的液体内，如它们来不及完全重熔，则残留部分可作为晶核长大成等轴晶。

对流的冲刷作用也可促使枝晶脱落。因为铸锭在凝固过程中，由于溶质的偏析，枝晶根部产生缩颈，此处在对流的冲刷作用下易于断开，从而出现枝晶的游离过程。晶体的游离有利于金属液内部晶核的增殖，因而有利于等轴晶的形成。

如果能抑制金属液内的对流，则可促进柱状晶的形成。施加稳定磁场，可消弱或抑制金属液内部的对流，阻止晶体的游离，有利于得到柱状晶。

3.1常用铸造有色合金（包括铸造铝合金、铸造镁合金、铸造铜合金、铸造锌合金及铸造轴承合金，下同）的分类、合金牌号及其特点、掌握合金材质选用及其熔铸工艺确定的原则；

3.1.1简述Al-Si、Al-Cu、Al-Mg和Al-Z n系铸造合金的主要特点及其用途。

答：铸造用的铝合金主要是由Al-Si、Al-Cu、Al-Mg 和Al-Zn四个二元基本合金系以及在此基础上，再添加少量其他元素形成的多元合金系组成的。

1）Al-Si合金系（≥5%Si）该系合金具有良好的铸造性能，铝中添加硅后，能明显提高铝液的流动性和铸造充填性能；减少收缩和热裂倾向。含有较多硅的合金热膨胀系数小、耐磨性能优良。含有少量的Mg、Cu等合金元素组成的多元Al-Si合金通过热处理有明显析出强化的效果，适用于多种铸造方法。现在铸造铝铸件大多数都是采用该系合金，它是铸造铝合金中牌号最多，应用最广泛的一类合金。

2）Al-Cu合金系（≥4%Cu）该系合金添加的Cu起固溶强化的作用，所以合金具有较高的强度和耐热性能；但密度大，耐蚀性能和铸造性能较差，易产生热裂，常用于制造较高温度下（<300℃)工作的高强度的零件，如内燃机气缸头、增压器导风叶轮等。

3）Al-Mg（≥５%Mg）该系合金具有优异的耐蚀性、强度高、密度小、切削及抛光性能也较好；但其铸造性能差，合金液易氧化，熔炼和铸造工艺较复杂。主要用于制造在大气和海水中工作的耐腐蚀性高且承受一定冲击载荷、形状较简单的零件，如船舶配件和机械壳体等。

4）Al-Zn合金系（Zn5-13%）该系合金是研究应用最早的铸造铝合金，其主要特点是价格较低，制备工艺简单，不需要热处理就能得到较高的强度；但密度大，耐蚀性能和铸造性能较差，高温性能低。主要用于制造压铸仪表壳体类零件、模具和模板等。

以ZL102合金为例，分析其组织形态在变质处理前后的变化。

答:（基本成分Si10-13%）；变质处理：钠盐变质—二元变质剂。

铝硅合金室温下组织为α（Al）和β（Si）两相组成。未变质时，Al-Si合金中的相呈针片状或粗大块状导致铝合金力学性能不高。变质后共晶组织为：共晶体（α+β）。

试分析亚共晶和过共晶Al-Si合金变质剂及其处理特点。

答: 亚共晶Al-Si合金常采用钠变质剂。特点：1）变质效果稳定；2）变质效果保持时间短，变质剂易

吸潮，腐蚀铁质坩埚。锶变质剂属于长效变质剂。过共晶Al-Si合金的变质处理：1）采用磷变质剂，在熔体中磷与铝化合形成难熔的AlP小颗粒，其晶体结构与硅相似，可作为初生硅晶体的异质晶粒；2）变质工艺有三类—磷铜中间合金、含赤磷的盐类混合物和不含赤磷的盐类复合变质剂；3）影响其变质效果的有关因素。

为什么铸造铝合金铸件容易产生气（针）孔缺陷？如何防止此种缺陷的产生？

答:1）在铝液凝固冷却过程中，氢原子、氢分子和化合物态氢元素分别以不同形式析出；气泡从铝液中上浮析出时，其中一部分未能上浮至液面逸出，则留在铝液内使铸件产生气孔。2）防止措施：防止水分进入熔炉（最大限度地清除炉料、熔剂、工具和熔炉等所附着的水分），防止合金熔炼时吸氢和氧化；排除已进入铝液中的氢气和氧化夹杂物；加大凝固时的压力或采用快速凝固的方法。

铝合金氧化夹杂物的来源是什么？常用的精炼措施有哪些？

答:1）铝合金液的氧化：熔炼时，铝液与炉气中诸成分（O2、CO2、CO、H2O）接触时均产生氧化反应，反应产物Al2O3化学稳定性极高，是铝铸件中的主要氧化夹杂物。2）铝液中的夹杂物：在浇注前已在铝液中形成的氧化夹杂物称为一次氧化夹杂，它在铸件中分布无规律；在浇注或转包过程中形成的氧化夹杂物成为二次氧化夹渣，大多分布在铸件壁的转角处或最后凝固的部位。

3）常用的精炼措施有：吸附精炼与非吸附精炼。吸附精炼：（1）浮游法（通N2、Ar、Cl2、氯盐、无毒精炼剂）；（2）溶剂法（覆盖剂、精炼用熔剂）；（3）过滤法精炼。非吸浮精炼：真空精炼、振动去气除渣处理。

试分析ZL101合金T6热处理的工艺及其目的。

答: ZL101合金T6热处理的工艺：固溶处理加人工时效。

固溶处理：加热温度535±5℃，保温时间2-6h，冷却介质及温度：水60-100℃；人工时效：加热温度200±5℃，保温时间3-5h，冷却介质：空气。

目的是提高铸件的力学性能、消除铸造应力、增强耐蚀性能、改善加工性能和获得尺寸稳定性。

7试分析亚共晶Al-Si合金中常用的细化剂种类及细化处理工艺要点。

答:1）常用中间合金形式加入（Al-Ti、Al-B、Al-Ti-B 等）使其产生大量的TiAl3、AlB2、TiB2等微粒，它们熔点较高，且晶格数与α（Al）固溶体的很相近，可作为异质核心抑制树枝状初生α（Al）晶粒的长大；2）盐类形式加入（含有很强晶粒细化作用的Ti、B、Zr等元素的氟钛酸钾、氟硼酸钾、氟锆酸钾等盐类物质）加入铝液发生反应，生成TiAl3、AlB2、TiB2、TiC、B4C、ZnAl3等微粒起晶粒细化作用。

8提高Al-Si系合金力学性能的途径有哪些？试举例说明之

答:铝合金熔体的净化是获得优质铸件的前提。

1锡青铜和铅青铜铸造性能的特点有何不同？为什么？

答:锡青铜熔炼工艺较简单，主要元素锡不易氧化和蒸发；线收缩率小，铸造内应力、冷裂倾向小，适用于形状复杂铸件或艺术品铸造。

铝青铜由于L1、L2与α相共存的温度范围宽，α相与液相之间的密度相差较大，α相与Pb相的密度差也大，因而凝固时易产生比重偏析。此外，熔炼时由于Pb的氧化，会产生氧化夹杂。

2铸造黄铜与铸造青铜相比主要区别有哪些？

答: 铸造黄铜与铸造青铜相比主要区别在于：黄铜以锌为主要合金元素；而青铜是不以锌为主要合金元素。黄铜结晶范围小，铸造性能好，锌的沸点低，有自发的除气作用，合金成本较低，力学性能比锡青铜高，应用广泛。

3铸造锡青铜铸件为什么有时会出现“缓冷脆性”？如何防止？

答:锡青铜的结晶温度范围很宽，呈糊状凝固，枝晶发达，凝固速度较慢时，易形成缩松，有时出现“缓冷脆性”。防止措施：加快冷却速度。

.4何谓锌当量系数？锌当量？它有什么用途？（略）锌的密度7.133g/cm3，熔点420℃，沸点911℃，具有闪锌晶格，无同素异构体，纯锌的强度、塑性都较差。

5为什么铸造铜合金熔炼时一般都需要脱氧？常用哪几种脱氧方法？

答:铜合金熔化后，在高温下容易被炉气所氧化生成Cu2O。因此，熔炼纯铜、锡青铜、铝青铜等必须彻夜脱氧，清除Cu2O后再加入合金元素。

脱氧方法：1）沉淀脱氧（加P-Cu脱氧，应用广泛）；2）扩散脱氧（加脱氧溶剂）；3）沸腾脱氧（又称青木脱氧）。

6锡青铜熔炼的原则是什么？它和铝青铜、黄铜有什么区别？

答:基本原则：1）准确配料，严格控制化学成分；2）净化合金液，防止铜液氧化、吸气；3）高温熔炼，快速熔化，低温浇铸。锡青铜需要脱氧除气而铝青铜中含铝、硅，黄铜中含锌；它们本身是强脱氧剂，因此都不必脱氧。

7如何对铜合金熔炼质量进行控制？

答:气体含量的检查、弯角及断口检查、成分分析、温度检测与控制。

8用燃烧炉熔炼铜合金一般将炉气控制为何气氛（还原性、氧化性或其他）？为什么？

答:氧化性或弱氧化性气氛。

铝合金铸件主要热处理工艺的特点及其热处理常见缺陷和防止方法。

答：热处理工艺：退火、固溶处理、时效处理和循环处理四类。主要是固溶处理与人工时效。固溶处理：将铸件加热到接近固相线温度（530℃左右），并保持足够长的时间后快速冷却，以获得成分均一的过饱和α（Al）固溶体，致使合金力学性能（特别是塑性）提高，耐蚀性能改善。人工时效：经固溶处理得到的过饱和固溶体，加热到某一较低的温度并保持一定时间。

热处理常见缺陷：1）力学性能不合格；2）过烧；3）变形和裂纹；4）表面腐蚀。防止措施：制订合理的热处理工艺并严格执行。

1铸造镁合金主要有哪几类合金?各有何特点?

答:1）Mg-Al-Zn合金：为工业常用合金，特点为强度高，塑性好，铸造性能好；

2）Mg-Zn-Zr合金；特点为强度高，致密性好，壁厚效应小，工艺性较差；

3）Mg-RE-Zr 合金：为耐热Mg合金，添加RE可提高α固溶体和RE化合物的稳定性，提高耐热性，可在250-300℃下长期工作。

3.4.2为防止镁合金熔炼燃烧和氧化主要采取哪些措施?

答:1）用熔剂熔炼；2）无熔剂熔炼；3）硫磺保护剂或SF6与N2或干燥空气混合气体保护熔炼。

3镁合金铸件生产时如何确保生产安全?

答:1)加料前炉料必须预热，至少达到150℃以上，以防止带入水分，发生事故；2)熔炼工具使用前必须充分预热干燥，使用后应放置在密闭空气中，或放入专用熔剂炉中，以防残留金属燃烧；3)应定期检查热电偶，以有效控制熔体温度，以防过热，产生燃烧危险；4)熔炼作业时，操作人员须穿戴作业衣、安全帽、安全鞋、安全眼镜等。

4常用铸造锌合金有哪几类?其应用范围如何?

答：铸造锌合金的分类：第一类为Zn-4%Al合金，主要用于热室压铸机中铸造；第二类是含Al量为8%、12%和27%的合金，它也能重力铸造（金属型、砂型）。5何谓锌合金“老化”现象？产生的原因是什么？如何防止？

答：锌合金的老化现象：因合金中杂质元素Pb、Cd、Sn超过标准，集中于晶界，促使晶间化学腐蚀，致使铸件变脆，变形、膨胀，甚至发生开裂。

产生原因：通常认为主要是晶间腐蚀引起的：当合金成分中杂质元素铅、镉、锡超过标准时，铅、镉、锡在锌合金中溶解度很小，因而集中于晶粒边界成为阴极，富铝的固溶体成为阳极，在水蒸气（电解质）存在的条件下，促使晶间电化学腐蚀。压铸件常因晶间腐蚀而老化。

防止措施：1）避免使用熔炼铜（Cu）合金的坩埚，减少Pb、Sn、Cd夹杂物；2）避免在高温或低温（0℃以下）的工作环境下使用；3）添加微量的Mg，固溶于α、β相，提高强度，降低共析转变温度，抑制α分解，可防止“老化”。

6简述铸造轴承合金的分类和特点及其应用。

答：主要是锡基、铅基、铜基和铝基四大类。

锡基轴承合金：主要为Sn-Sb合金，再添加适量Cu(克服密度偏析)，组织为软基体上均匀分布着硬质点。它具有较高的减摩性能和很好的表面性能（顺应性、嵌入性）和耐腐蚀，但力学性能较低，适用于汽车、拖拉机等高速轴承。

铅基轴承合金：Pb-Sb-Sn合金，添加价格较低的Sb 替代部分Sn，其组织与锡基轴承合金类似，也具有较好的塑性、较低的强度。适应于高速、低载荷或静载下工作的中载荷机械设备。

铜基轴承合金：（ZCuSn5Pb5Zn5 ZCuSn10Pb ZCuPb30等），其组织是在较硬的Cu基体上分布着相对较软的质点相，具有较高的强度、耐磨性和耐蚀性。不同的牌号可分别适用于中载、中速或高速工况下的汽车、机床等用的轴承。

铝基轴承合金：合金密度小，承载能力和疲劳强度高、导热性好并有优良的耐磨性和耐蚀性。适用于高速、高载荷下工作的轴承。

7分析锡及铅基轴承合金的组织特征及其对性能的影响。

答：锡基轴承合金其组织特征是在软的α固溶体基体上分布着具有硬脆性能的β相，因而具有相对应的力学性能特点，即较好的塑性较低的强度。

铅基轴承合金的组织特征：基体为Pb与固溶体Sn(Sb)的共晶体。其性能与锡基轴承合金类似，也具有较好的塑性、较低的强度。

8巴氏合金熔炼时如何防止合金液过热？举例说明。答：巴氏合金（锡基、铅基合金）强度低，一般均浇注在钢壳（钢背）上。为防止合金液过热并使成分均匀，宜用预制合金锭重熔，并升温到规定的温度后浇注轴瓦。举例见书本281页锡基轴承合金熔炼工艺三和282页铅基轴承合金熔炼工艺二。