哈工大鑄造與變形合金基礎(chǔ)作業(yè)

鑄造與變形合金基礎(chǔ)作業(yè)題目：生鐵爐外處理、鋼的爐外精煉及鑄鐵的熔體處理的各自目的或作用中國古代銅合金鑄件成型方法及組織特點3.根據(jù)合金的特性，論述鋁、銅、鎂和鈦四種有色合金熔煉與鑄造過程的特點姓名：班級：學(xué)號：日期：哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院生鐵爐外處理、鋼的爐外精煉及鑄鐵的熔體處理的各自目的或作用1生鐵爐外處理礦石從加入高爐后即開始還原，在爐身部位就已有部分鐵氧化物在固態(tài)下還原成海綿鐵，在高爐內(nèi)下降升溫過程中發(fā)生滲碳過程。但固態(tài)下的滲碳作用，只能在碳接觸的表面上進行，反應(yīng)較為緩慢。只有當(dāng)海綿鐵熔化成液體后，黏附在焦炭表面，改善了反應(yīng)條件，滲碳作用才能很好進行。溫度繼續(xù)升高到大于1400℃區(qū)域，鐵經(jīng)焦炭固相滲碳，才降低熔點變成熔體的金屬鐵滴，穿過焦炭層落入爐缸。爐腹處發(fā)現(xiàn)金屬鐵含碳已達4%左右。這說明爐腹部分的滲碳作用是強烈的。生鐵在滲碳過程中，還溶入Si、Mn、P等元素，它們進一步降低生鐵的熔點。在風(fēng)口區(qū)的氧化氣氛中，這些元素可能被氧化，但進到爐缸內(nèi)可再次被還原，獲得最終成分的生鐵。用普通礦冶煉時，生鐵最終組成為Fe、C、Si、Mn、P、S。由于鐵水中的[C]、[Si]、[Mn]含量比鋼水中的高，而且與之平衡的高爐渣中的(FeO)含量也比鋼渣中的低，結(jié)果鐵水脫硫的分配系數(shù)Ls為鋼水脫硫的十倍。只是鐵水脫硫沒有鋼水脫硫那么優(yōu)越的動力學(xué)條件。要是給鐵水脫硫加上較好的動力學(xué)條件就只能是爐外脫硫，或叫普通鐵水預(yù)處理。(1)爐外脫硫的意義①保證高爐冶煉獲得質(zhì)量合格的生鐵。由于入爐原料含硫的增加，難免生鐵含硫超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)；或者為了進一步節(jié)省燃料消耗和提高生產(chǎn)效率，而采用低堿度渣操作得到高硫生鐵，都需對鐵水進行爐外脫硫處理。②向煉鋼提供優(yōu)質(zhì)低硫生鐵。為了改善鋼材的加工性能及斷裂韌性，需要煉出硫含量<0.01％～0.005％的超低硫鋼，一般生鐵含硫難以滿足要求；即使向氧氣轉(zhuǎn)爐提供含硫小于0.03％～0.01%的低硫生鐵，也給高爐冶煉增加難度。③在高爐內(nèi)創(chuàng)造脫硫條件總是有限的，而用爐外脫硫方法以改善脫硫的擴散條件，降低生鐵含硫量是合理的。④在爐外進行鐵水預(yù)處理脫硫，比在煉鋼過程脫硫，無論從力學(xué)條件或工藝原理方面來看都要合理得多，經(jīng)濟上也是合算的。(2)脫硫劑目前可供選用的脫硫劑很多，如石灰、蘇打等。無論何種脫硫劑，都應(yīng)促使生成比FeS更穩(wěn)定的硫化物，而且只溶于渣而不溶于鐵液。①石灰或石灰石。這是最經(jīng)濟的脫硫劑，使用比較廣泛。用石灰脫硫的反應(yīng)為：[FeS]+(CaO)+[C]——(CaS)+Fe+CO當(dāng)用石灰石作脫硫劑時，其作用與石灰相同。但因石灰石分解放出{CO}，對液相有攪拌作用，可增加脫硫效果。不過石灰石分解是吸熱反應(yīng)，因此比使用石灰時有更大的降溫作用。在石灰或石灰石粒度<0.1mm、攪拌良好的情況下，脫硫效率可達40％～50％。②蘇打灰。它是一種強堿性脫硫劑，我國一些大中型高爐，都曾使用過蘇打灰在鐵水溝內(nèi)脫硫。Na2CO3+FeS——(Na2S)+(FeO)+CO2蘇打灰脫硫效率高，國內(nèi)生產(chǎn)實踐表明，在蘇打灰用量為鐵水質(zhì)量的1％時，脫硫效率可達70％～80％或更高。但蘇打灰脫硫成本高，而且勞動條件差，環(huán)境污染嚴重。③電石(碳化鈣)。電石也是高效率的脫硫劑，其脫硫反應(yīng)為：[S]+CaC2——(CaS)+2[C](CaC2)脫硫效率與用量有關(guān)。隨電石用量增加，脫硫效率隨之提高；當(dāng)電石用量達到13～14kg／t鐵時，脫硫率高達90％。④鎂焦。鎂焦脫硫效率最高。反應(yīng)如下：Mg+[S]——MgS反應(yīng)迅速且放熱，脫硫過程鐵水溫度下降少，MgS穩(wěn)定。但鎂的熔點(651℃)和沸點(1107℃)都很低，1350℃時鎂的蒸氣壓力達0.642MPa，在鐵水中極易發(fā)生爆炸。工業(yè)上把焦炭浸透熔化的鎂，制成含鎂45％～50％，塊重0.9-2.2kg的鎂焦，用專門容器壓入鐵水中進行脫硫。焦炭為減緩鎂揮發(fā)的鈍化劑，在脫硫過程中并不減少。2鋼爐外精煉隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，對鋼質(zhì)量的要求越來越高，用普通煉鋼爐(轉(zhuǎn)爐、電爐)冶煉出來的鋼水已經(jīng)難以滿足其質(zhì)量的要求；為了提高生產(chǎn)率，縮短冶煉時間，也希望能把煉鋼的一部分任務(wù)移到爐外去完成；另外，連鑄技術(shù)的發(fā)展，對鋼水的成分、溫度和氣體的含量等也提出了更嚴格的要求。這幾方面的因素迫使煉鋼工作者尋求一種新的煉鋼工藝，于是就產(chǎn)生了爐外精煉方法。所謂爐外精煉，就是把常規(guī)煉鋼爐(轉(zhuǎn)爐、電爐)初煉的鋼液倒入鋼包或?qū)Ｓ萌萜鲀?nèi)進行脫氧、脫硫、脫碳、去氣、去除非金屬夾雜物和調(diào)整鋼液成分及溫度以達到進一步冶煉目的的煉鋼工藝。即將在常規(guī)煉鋼爐中完成的精煉任務(wù)，如去除雜質(zhì)(包括不需要的元素、氣體和夾雜)和夾雜變性、成分和溫度的調(diào)整和均勻化等任務(wù)，部分或全部地移到鋼包或其他容器中進行，把一步煉鋼法變?yōu)槎綗掍摲?，即初煉加精煉。國外也稱之為二次精煉(SecondaryRefining)、二次煉鋼(SecondarySteelmaking)和鋼包冶金(LadleMetallurgy)。到目前為止所采用的主要精煉手段有：1）渣洗2）真空(或氣體稀釋)3）攪拌4）噴吹5）加熱(調(diào)溫)等五種。當(dāng)今名目繁多的爐外精煉方法都是這五種精煉手段的不同組合，綜合一種或幾種手段構(gòu)成為一種方法精煉設(shè)備通常分為兩類：一是基本精煉設(shè)備，在常壓下進行冶金反應(yīng)，可適用于絕大多數(shù)鋼種，如LF（鋼包埋弧加熱吹氬法）、CAS-OB、AOD等；另一類是特種精煉設(shè)備，在真空下完成冶金反應(yīng)，如RH（真空循環(huán)脫氣法）、VD、VOD等只適用于某些特殊要求的鋼種。目前廣泛使用并得到公認的爐外精煉方法是LF法與RH法，一般可以將LF與RH雙聯(lián)使用，可以加熱、真空處理，適于生產(chǎn)純凈鋼與超純凈鋼，也適于與連鑄機配套。至今已出現(xiàn)四十多種爐外精煉方法。(1)鋼包爐精煉法(LF(V)法)通過電弧加熱、造高堿度還原渣，進行鋼液的脫氧、脫硫、合金化等冶金反應(yīng)，以精煉鋼液，為了使鋼液與精煉渣充分接觸，強化精煉反應(yīng)，去除夾雜，促進鋼液溫度和成分的均勻化，通常從鋼包底部吹氬攪拌(2)真空吹氬脫氣法(VD法)這種方法是美國芬克爾(Finkl)公司1958年首先提出來的，所以也叫芬克爾法，在我國一般簡稱為VD(VacuumDegassing)法。(3)循環(huán)真空脫氣法(RH法)RH循環(huán)真空脫氣法是德國蒂森公司所屬魯爾(Ruhrstahl)公司和海拉斯(Heraeus)公司于1957年研制成功的循環(huán)真空脫氣裝置，RH法設(shè)備的特征是在脫氣室下部設(shè)有與其相通兩根循環(huán)流管，脫氣處理時將環(huán)流管插入鋼液，靠脫氣室抽真空的壓差使鋼液由管子進入脫氣室，同時由兩根管子中的上升管吹入驅(qū)動氣體氬，利用氣泡泵原理引導(dǎo)鋼水通過脫氣室和下降管產(chǎn)生循環(huán)運動，并在脫氣室內(nèi)脫除氣體真空提升脫氣法(DH法）真空提升脫氣法是1956年Dortmund(多特蒙德)和Horder(豪特爾)冶金聯(lián)合公司首先發(fā)明使用的，所以簡稱DH法。根據(jù)壓力平衡原理，將鋼液經(jīng)吸嘴分批吸入真空室內(nèi)，進行脫氣處理的。處理時將真空室下部的吸嘴插入鋼液內(nèi)，真空室抽成真空后其內(nèi)外形成壓力差，鋼液沿吸嘴上升到真空室內(nèi)的壓差高度。由于真空作用室內(nèi)的鋼液沸騰形成液滴，大大增加氣液相界面積，鋼中的氣體由于真空作用而被脫除。當(dāng)鋼包下降或真空室提升時脫氣后的鋼液重新返回到鋼包內(nèi)。當(dāng)鋼包提升或真空室下降時又有一批鋼液進入真空室進行脫氣。這樣鋼液一批一批地進入真空室直至處理結(jié)束為止。真空吹氧脫碳法(VOD法)VOD法是VacuumOxygenDecarburization(真空吹氧脫碳法)的縮寫。是為了冶煉不銹鋼所研制的一種爐外精煉方法，其方法特點是向處在真空室內(nèi)的不銹鋼水進行頂吹氧和底吹氬攪拌精煉，達到脫碳保鉻的目的。氬氧脫碳法(AOD法)所謂氬氧脫碳精煉法簡稱AOD法(ArgonOxygenDecarburization，氬氣-氧氣-脫碳脫碳保鉻不是在真空下，而是在常壓下進行喂線法它將Ca-Si、稀土合金、鋁、硼鐵和鈦鐵等多種合金或添加劑制成包芯線，通過機械的方法加入鋼液深處，對鋼液脫氧、脫硫，進行非金屬夾雜物變性處理和合金化等精煉處理，以改善冶金過程。綜合對比各種爐外精煉技術(shù)，喂線技術(shù)存在以下優(yōu)越性：合金收得率高；合金微調(diào)接近目標(biāo)值；鋁的收得率提高。3鑄鐵的熔體處理最初的鑄鐵的性能很低，通過熔體處理方面的研究，包括熔體過熱處理、孕育、變質(zhì)或球化處理來改善鑄鐵的組織，使鑄鐵的各方面性能得以提高。由于（失控的）非均質(zhì)形核核心數(shù)量未知及分布不均勻，使凝固組織不均勻，有異常長大傾向，也就是說（失控的）非均質(zhì)形核有偶發(fā)性。均質(zhì)形核必須有相對于非均質(zhì)形核更大的過冷度，對于Fe-C合金系而言，在較大的過冷度下可能析出滲碳體，因此鑄鐵凝固過程中不能采用均質(zhì)形核來控制凝固。必須發(fā)揮主觀能動性、實現(xiàn)可控的非均質(zhì)形核過程。（1）鐵液的過熱和高溫靜置處理在一定范圍內(nèi)提高鐵液的過熱溫度，延長高溫靜置時間，會導(dǎo)致鑄鐵的石墨及其基體組織的細化，使鑄鐵的強度提高；進一步提高過熱溫度，鑄鐵的形核能力降低，使石墨形態(tài)變差，甚至出現(xiàn)自由滲碳體，使強度降低，因而存在一個臨界溫度(高溫靜置)。臨界溫度的高低主要決定于鐵液的化學(xué)成分和冷卻速度。所有促進增大過冷度的因素（碳硅含量低、冷卻速度快、成核能力差），都會使臨界溫度降低（提高核的存活）。普通灰口鑄鐵的臨界溫度為1500℃-1550℃。經(jīng)過高溫靜置處理的鐵液在較低溫度下靜置相當(dāng)時間后，過熱效果會消失，即過熱處理具有可逆性。其原因是重新形成少量非均質(zhì)形核核心，成核能力提高，而出現(xiàn)異常長大。上述現(xiàn)象的存在是與過熱過程中熔體微觀結(jié)構(gòu)的變化有密切關(guān)系的。（2）灰口鑄鐵的形核和孕育鐵液澆鑄以前，在一定的條件下（一定的過熱度、化學(xué)成分、合適的加入方式）向鐵液中加入一定量的物質(zhì)（孕育劑）以改變鐵液的凝固過程，改善鑄鐵組織，從而達到提高性能為目的的處理方法，稱之為孕育處理。孕育鑄鐵的生產(chǎn)過程是利用沖天爐（電弧爐、感應(yīng)電爐）熔煉出低碳硅含量的鐵液，并將其過熱到一定溫度，而后加入適量的孕育劑進行孕育處理。處理好的鐵液在一定時間內(nèi)進行澆注。采用非高純爐料及一般方法熔煉的鐵液中常存在有多種氧化物和硫化物等雜質(zhì)的細微顆粒，可以作為石墨的非均質(zhì)核心，因此鑄鐵的結(jié)晶是以非均質(zhì)形核為主。為了細化鑄鐵的組織，還可以在適當(dāng)控制鑄鐵化學(xué)成分的條件下，往鑄鐵中加入某些能形成大量非均質(zhì)核心的物質(zhì)，即進行孕育。孕育處理的目的：通過加入孕育劑，在鐵液中形成大量的非均質(zhì)石墨核心，從而消除低共晶度鑄鐵在共晶轉(zhuǎn)變過程中的白口傾向，使其結(jié)晶成為具有良好石墨形態(tài)的灰口鑄鐵。改善石墨形態(tài)，使過冷型石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚍植紵o方向型的石墨，并獲得細片珠光體基體，從而提高鑄鐵的性能。適當(dāng)增加共晶團數(shù)，減小鑄件上薄壁與厚壁之間由于冷卻速度不同而產(chǎn)生的組織和性能上的差別，消除壁厚敏感性，提高組織均一性。（3）白口鑄鐵的變質(zhì)采用變質(zhì)處理方法可以改善初晶及共晶碳化物的形態(tài)，使碳化物在基體中呈不連續(xù)分布，從而能夠減小白口鑄鐵的脆性并提高其強度。變質(zhì)處理的實質(zhì)是改變白口鑄鐵中碳化物的長大條件，抑制其擇優(yōu)取向生長的趨勢。以Ce為主要元素的混合稀土與適宜的細化奧氏體枝晶的元素（Ti，Ni，V等）相配合，可以收到良好的變質(zhì)效果。稀土元素Ce具有很強的表面活性，在鑄鐵結(jié)晶過程中，在碳化物的不同晶面上進行選擇性吸收，它優(yōu)先吸附在能位較高同時也是生長較快的晶面上，減緩其生長速率，其結(jié)果是減弱了晶體生長的各向異性，促使碳化物成為板塊狀。而Ti，Ni，V等元素在鐵液中形成大量的非均質(zhì)晶核，使奧氏體枝晶增多變細，并縮小碳化物的尺寸，使其分散和孤立化。同時，由于碳化物尺寸的減小，也使其保持塊狀生長的相對穩(wěn)定性得到提高，避免塊狀碳化物在生長過程中產(chǎn)生分支。（4）石墨球化處理球墨鑄鐵一般用稀土鎂合金對鐵液進行處理，以改變石墨形態(tài)，從而得到比灰鑄鐵性能更高的鑄鐵。球墨鑄鐵中的石墨以圓球形狀存在。中國古代銅合金鑄件成型方法及組織特點一、中國古代銅合金鑄造方法(1)石范石范是用石質(zhì)制作的鑄型。選用易于鑿刻加工的石料,雕琢器物的型腔,挖出銅水流口，然后,用一塊平整的石板壓在型腔上,澆注銅水鑄成器物。石范僅能鑄造一些簡單的器物,如刀、鏃、錐等。在甘肅火燒溝遺址曾出土石范,經(jīng)巖相分析為泥質(zhì)砂巖結(jié)構(gòu)。內(nèi)蒙、遼寧、江西等地早期鑄造遺址中均發(fā)現(xiàn)石范。因石質(zhì)難加工,不耐高溫易熱裂,這種原始的鑄范,很快被泥范、陶范取代。(2)泥范、陶范泥范、陶范是用泥沙為主要原料制作的鑄型。商早期泥范多為就地取材,將天然泥沙料用水調(diào)和,制作鑄范后,經(jīng)自然干燥或低溫堆燒,鑄范硬化后即可澆鑄,鑄型冷卻后,將泥范打碎取出鑄件,屬一次性鑄范。商中晚期鑄件型制日益增加,花紋、銘文繁縟,泥范法在不斷改進和發(fā)展。所用的泥沙料經(jīng)過篩選和配制,如羼入草秸和稻殼等,做出的鑄范在烘范窯進行焙燒,窯溫約850~900e,燒制成表面光滑、質(zhì)地硬而不脆,并有較好透氣性的鑄范,可以反復(fù)使用,屬半永久性鑄范。這種鑄范常被稱為“陶范”。但“陶范”并未陶化,如果燒到1000~1300攝氏度完全陶化時,會變成脆硬而不透氣,不宜作鑄范。因此,“陶范”可以理解為質(zhì)地較好的泥范,故統(tǒng)稱為泥范、陶范。(3)金屬范金屬范是用銅或鐵為原料制作的鑄型,又稱銅范或鐵范,可多次使用,適于批量生產(chǎn),鑄件規(guī)整,屬永久性鑄范。春秋戰(zhàn)國時出現(xiàn)銅范鑄錢幣,如“盧氏”空首布銅范、平首幣“梁一”銅范。(4)失蠟法失蠟法是以牛油、黃蠟、松香等為主要原料,制成蠟?zāi)?用泥料制成外范,加熱后蠟?zāi)Ｈ刍鞒?所得鑄型完整無披縫。在型腔內(nèi)澆鑄金屬液,冷卻后打開鑄范,得到完整的鑄件。這種熔模鑄造方法屬精密鑄造之一。古代蠟?zāi)Ｖ谱鞴に囍饕袃煞N,撥蠟法和貼蠟法。撥蠟法是用可塑性好的蠟料,用手或簡單的手工工具,將蠟料壓、捏、拉、塑、雕成形。蠟?zāi)Ｐ螤钊珣{雕塑者創(chuàng)造。由于不用模具,避免了造型時起模的困難,還可由雕塑者制作多種多樣的形制和藝術(shù)珍品。撥蠟法又稱為捏蠟法、脫蠟法。貼蠟法是把蠟料壓成與鑄件壁厚相同的蠟片,剪裁成鑄件需要的形狀和大小,貼在預(yù)先制成的內(nèi)范(泥芯)上,形成器物的壁厚,如果表面有紋飾,可用紋飾模板壓印在蠟片上。這種制蠟?zāi)７椒ㄊ怯媚０逯萍y,比撥蠟法手工塑蠟?zāi)：唵?、快?適于成批生產(chǎn)或大型鑄件,如鐘。二、鑄造銅合金組織特點紅銅紅銅鑄造組織器物發(fā)現(xiàn)不多,含銅98%以上的純銅在熔煉過程中容易被氧化形成Cu20,氧在a相中的溶解度在1065℃時為0.01%，當(dāng)含氧達到0.39%時,a和Cu2O形成共晶.陜西碾子坡遺址出土先周時期的2件鼎是紅銅鑄造而成.金相組織中的a相邊界有Cu+Cu20共晶;鼎體內(nèi)存在較嚴重的縮孔缺陷,用紅銅鑄造大型禮器是罕見的.四川廣漢只星堆出土的銅戈含銅98.1%,組織中存在Cu+Cu20共晶(圖l);另一件是戰(zhàn)國早期(公元前5世紀(jì))云南曲靖珠街出土的石寨山型銅鼓的金相組織(圖2).含少量雜質(zhì)的銅合金如果純銅中含有少量其他元素如As,Zn,Sn時鑄造合金顯微組織中會顯示晶內(nèi)偏析，晶內(nèi)各部分化學(xué)成分不一致，這是因為合金凝固時有一定的溫度范圍，合金凝固過程中原子擴散速度小于結(jié)晶生長速度;一般情況下，合金凝固范圍越大，鑄造結(jié)晶冷卻速度越快，原子擴散難于完全時，晶內(nèi)偏析愈嚴重。銅器中含微量或少量合金元素時，顯微組織中顯示清晰的晶內(nèi)偏析.內(nèi)蒙涼城朱開溝遺址夏代銅錐含有約1%砷，顯示有晶內(nèi)偏析(圖3);臂釧含有鋅、砷、銻、秘、銀等多種元素，顯示晶內(nèi)偏析明顯，且有第2相析出(圖4)；河南信陽出土的西周銅斧含錫為1.1%顯示晶內(nèi)偏析(圖5);新疆哈密天山北路墓地出土的銅珠為含錫1%的純銅鑄造組織(圖6).第二相銅錫合金CuSn二元合金顯示的顯微組織指的是在熔煉制作過程中沒有額外加入第3種元素如鉛，含鉛一般認為小于2%.Scott把古代錫青銅器分為高錫、低錫兩類，含錫小于17%為低錫青銅.a固溶體中錫的最大溶解度理論值為17%，實際值為15.8%.在通常鑄造條件下，含錫小于6%時，顯微組織為單相a固溶體，并存在明顯的樹枝狀晶內(nèi)偏析.錫大于6%時，有()共析體析出，隨含錫量增加(）量增多，圖7一12顯示了不同含錫量時(分別為8%,14%,17.6%,18.6%,20%和22%)的顯微組織.由于銅器樣品取自不同器物，制作時冷卻速度控制不同，因此顯微組織顯示的(a+8)數(shù)量增多，與含錫量增加未見明顯的規(guī)律性。有的銅器測得的含錫量均為8%-9%，但由于制作方法不同，顯示出不同的顯微組織，削刀是鑄造組織(圖7),削刀鑄造后在局部又進行過冷加工，晶內(nèi)偏析沿加工方向變形(圖13)，哈密天山北路墓地出土耳環(huán)是a固溶體等軸晶和孿晶，顯示的是熱加工的組織(圖14).因此研究古代銅器不僅要進行成分分析，進行金相組織的鑒定也是必要的，這樣才能對古代銅制作技術(shù)獲得較全面的信息.個別樣品在心部及一側(cè)顯示()量明顯不同，在一側(cè)()共析體粗大連成網(wǎng)狀，這應(yīng)是反偏析現(xiàn)象(圖15,16)，廣西河池收購的麻江型銅鼓就是此種情況.產(chǎn)生反偏析的原因是:當(dāng)合金凝固時在鑄件表面形成一硬殼后，或因內(nèi)部合金液析出氣體的壓力作用，或因硬殼的固體收縮承受不了內(nèi)部合金液的靜壓，或因鑄件本身產(chǎn)生熱應(yīng)力等，使凝固的硬殼斷裂，未凝固的液體含錫較多流出硬殼以外，形成表層高錫現(xiàn)象.由于銅錫合金凝固溫度范圍較大，鑄件冷卻時容易產(chǎn)生反偏析，俗稱錫汗.Hanson研究表明:發(fā)生錫汗的可能性隨錫量增多而增加，當(dāng)鑄件含錫10%-14%時發(fā)生錫汗的可能性最大，表面層中通常含錫量可達20%一26%;如果合金在還原氣氛中熔化，或者鑄件冷卻很快，表面層中發(fā)生高錫共析相反偏析的傾向越大.Meeks認為，錫青銅中含鉛，會使反偏析復(fù)雜化，因為合金中的鉛也會在表面產(chǎn)生偏析.近來發(fā)現(xiàn)Cu-Sn二元合金的淬火組織，如圖17.砷銅合金Cu-As二元合金.西亞早在公元前4000年繼使用純銅之后首先使用砷銅合金，伊朗SuSa發(fā)現(xiàn)了最早的砷銅實物，以色列的Timna發(fā)現(xiàn)了冶煉砷銅的遺址，隨后Cu-As二元合金使用近2000年.中國古代早期并沒有使用Cu-As二元合金的記載，近年來對中國早期銅冶金起源及特點的研究時發(fā)現(xiàn)，在甘肅、新疆等地均發(fā)現(xiàn)了使用Cu-As合金的銅器，如甘肅民樂東灰山四壩文化墓葬(約公元前1800)出土的15件銅器全部含砷，其含砷量為2%-6%，金相鑒定的11件器物都是熱鍛加工而成的，組織為a等軸晶及孿晶組織(圖18).新疆哈密天山北路墓地出土的9件銅器也是Cu-As二元合金的砷銅，其中8件是裝飾品(銅珠、銅牌、手鐲及耳環(huán))，只有1件為銅刀.它們的金相組織顯示有鑄有鍛，如圖19銅耳環(huán)是含砷3.6%的鑄造組織，圖20銅刀含砷4.7%樹枝狀偏析沿加工方向變形，圖21銅珠為含砷8.5%的鑄造組織及少量Y相.根據(jù)Cu-As二元相圖，砷在a相中最大的固溶度為7.96%.Lechtman等人進行了Cu-As合金模擬實驗，當(dāng)含As為2%即發(fā)現(xiàn)有Y相((Cu,As),Budd研究奧地利把含砷分別為1.45%和2.77%的銅斧的顯微組織也有Y相析出.玉門火燒溝、酒泉干骨崖四壩文化墓葬中亦發(fā)現(xiàn)有Cu-As二元合金制成的銅器。Cu-Sn-Pb合金Cu-Sn-Pb三元合金的顯微組織.鉛在銅錫合金中不溶，以獨立相存在，這種以軟質(zhì)點分布于組織中可彌合錫青銅的縮松.由于鉛的密度較銅大很多，因此若合金中鉛含量較高，易造成比重偏析.合金中鉛的尺寸、形狀和分布狀態(tài)對器物性能也有影響，Chase給出了Cu,Sn,Pb成分與(HB),,的關(guān)系，可知含錫12%-13%青銅中加人6%的鉛時，總的力學(xué)性能較好.在古代武器和刃具制作中，到目前為止，尚不能認為古代工匠是有意識制作符合上述錫含量的制品.鉛加人銅錫合金中可以提高合金溶液的流動性，使充填鑄型的能力增強，對鑄件表面紋飾清晰度及尺寸精度有直接影響.實驗研究表明，含10%-15%的流動性最好，滿流率隨含鉛量的增加而增加;當(dāng)含鉛量超過15%時，滿流率下降.因此含鉛10%-15%的銅錫合金的鑄造性能良好.在青銅器中，鉛的尺寸、形狀、分布及含量均不同，有的金相顯微組織中鉛呈顆粒狀如圖22和圖23，細枝晶狀及粗大塊狀圖24，圖25，有的鉛沿一定方向排列如圖26，有的存在鉛的比重偏析如圖27，有的在樣品心部位置群集.盤龍城出土的尊在口沿、肩、腹取樣，錫含量分別為15.8%,14.7%和15.5%，但鉛含量分別為14.8%,18.0%和21.3%.因此對大件銅器取樣要注意部位，鉛含量的不同有可能對鑄造技術(shù)，澆、冒口的位置提供佐證。其他銅合金①早期黃銅制品.姜寨一期文化出土銅片殘塊，系直徑7cm圓片的一部分，厚約0.1cm.出土?xí)r一面較光滑，另一面較粗糙，局部地區(qū)凹陷，保留鑄造凝固時的表面.銅片表面的金相組織基體是帶輕微樹枝狀晶偏析的CuZn相，晶界處含Sn較高的相或()共析相，含Zn量與基體相同或稍低.黃銅片平均成分為66.5%Cu,25.6%Zn,0.9%Sn,5.9%Pb,1.1%Fe，為含鉛鋅銅合金鑄造而成，其中Si,S,Fe雜質(zhì)含量較多且分布不勻，鑄造方法較原始，見圖28.與之類似的還有山東膠縣三里河龍山文化層出土的2段黃銅錐.銅錐兩端接頭處的大小形狀相近，4個端面線切割取樣，顯微組織顯示成分偏析較大;基體是a相，有藍灰色的6相及黑色的硫化鉛，組織不均勻，鑄造組織，鋅的平均含量為23.2%，并含鐵、鉛、錫、硫等雜質(zhì)，說明所用原料是不純的，冶煉方法較原始(圖29).陜西渭南出土的黃銅筍為含鋅23%，表面金相觀察為a等軸晶及孿晶;新疆營盤發(fā)現(xiàn)公元4世紀(jì)墓葬出土的戒指、耳環(huán)及鐲各1件都是黃銅制品，含鋅20%-22%.通過對青海都蘭吐蕃墓葬出土8件唐代銅器鑒定，發(fā)現(xiàn)了其中5件鉛鋅為黃銅制品.銅帶環(huán)含22.0%Zn,70.1%Cu,6.6%Pb，還有約1.0%Sb.金相組織a固溶體樹枝狀晶偏析明顯，有較多的相存在，鉛呈細顆粒狀彌散分布，見圖30.②銀銅合金.河北滿城漢墓出土的一只鏃，外形呈圓柱形，前端平頭，成分為66.17%Ag,27.8%Cu,2.5%Pb,2.5%Sn接近Ag-Cu合金的共晶成分，顯微組織中深色區(qū)為富銅的固溶體，白色區(qū)為富銀的固溶體(圖31)，這種共晶組織使此鏈具有銀的耐蝕性，又比純金屬銀和銅的硬度高，且有銀銅合金中最低的熔點(780攝氏度)，而鉛和錫使這個合金的熔點進一步下降.銀柄鐵刃環(huán)首刀，柄和環(huán)首為銀白色，其顯微組織與上述嫉相同，亦是銀銅合金的共晶組織，見圖32.公元前2世紀(jì)的銀銅合金應(yīng)是中國也是世界上最早的.③砷白銅.經(jīng)鑒定為砷白銅的文物較少，青海都蘭吐蕃墓葬出土的鏈?zhǔn)鞘状伟l(fā)現(xiàn)唐代的砷白銅，含砷為15.9%，其顯微組織如圖33所示，鑄造的a固溶體上分布著Cu,As相、FeAsZ相、鉛顆粒及Cu-Fe硫化物夾雜.可能與古代文獻記載的用單質(zhì)砷或砒霜(As20,)煉制砷銅有關(guān).最近在新疆哈密地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了含砷超過20%的砷白銅銅器。根據(jù)合金的特性，論述鋁、銅、鎂和鈦四種有色合金熔煉與鑄造過程的特點1鋁合金熔煉與鑄造鋁合金熔煉的特點:(1)熔化溫度低，熔化時間長;(2)容易產(chǎn)生成分偏析;(3)鋁非?；顫?，與氧氣發(fā)生反應(yīng)；(4)吸氣性強；(5)任何組元加入后均不能除去；(6)熔化過程中容易產(chǎn)生粗大晶粒等組織缺陷。2銅合金熔煉與鑄造黃銅：(1)結(jié)晶溫度范圍很小，~30度，流動性好；(2)熔煉溫度較低，且Zn沸點低，往往低于熔煉溫度，易揮發(fā)，帶走銅液中的氣體和夾雜（精煉作用）；(3)Zn本身是脫氧劑，因此，不用脫氧，熔鑄工藝簡單，適用于金屬型鑄造和壓鑄，能獲得致密鑄件(4)收縮率大，易生成集中縮孔.按順序凝固原則設(shè)計較大冒口,并和冷鐵相配合,可以將縮孔轉(zhuǎn)移至冒口處,獲得致密鑄件錫青銅:結(jié)晶溫度范圍寬 凝固速度較慢時，易形成縮松，導(dǎo)致鑄件滲漏，鑄件內(nèi)部出現(xiàn)顯微縮松對塑性不好；但是對于力學(xué)性能要求不高的鑄件，其內(nèi)部分布均勻的顯微縮松能儲存潤滑油，可以提高鑄件的耐磨性。易發(fā)生熱裂 凝固區(qū)間大，呈糊狀凝固，枝晶發(fā)達，在鑄件內(nèi)很快形成晶體骨架，開始了線收縮，此時，凝固層較薄，高溫強度又低，因此出現(xiàn)熱裂。(3)易出現(xiàn)反偏析缺陷鑄件表面滲出灰白色顆粒狀的富Sn分泌物，俗稱“冒錫汗”(富集δ相)。鑄件內(nèi)外成分不均勻，降低力學(xué)性能，組織變得疏松，引起滲漏；表面富集堅硬的δ相，惡化切屑加工性能，加工后表面出現(xiàn)灰白色斑點，影響表面質(zhì)量。反偏析層5mm左右，嚴重時，25~30mm(4)鑄造工藝簡單Sn不易氧化，錫青銅鑄件氧化傾向小，熔煉工藝簡單，不需要設(shè)置復(fù)雜的擋渣系統(tǒng)體收縮率在銅合金中最小，鑄造內(nèi)應(yīng)力小，冷裂傾向小適用于鑄造形狀復(fù)雜的鑄件或藝術(shù)鑄造鋁青銅:(1)耐磨性能好鋁青銅組織:(α＋β’),其中,(Cu)塑性好，基體上均勻分布硬度較高的’，是一種耐磨組織，但鋁青銅干摩擦系數(shù)比濕摩擦系數(shù)大30~40倍，故，不宜在干摩擦工況下工作(2)在海水氯鹽及酸性介質(zhì)中有良好抗蝕性。表層有致密Al2O3膜，但不允許有γ2相出現(xiàn)，因其可成為微電池陽極，被腐蝕(3)結(jié)晶溫度范圍小，流動性好鑄件組織致密，壁厚效應(yīng)小。凝固時體收縮大，必須設(shè)置大冒口，防止集中性縮孔(4)澆注時易夾渣夾氣熔煉鋁青銅時，熔體表面有Al2O3組成，如不排除，進入鑄件將惡化力學(xué)性能，需除渣除氣。設(shè)計澆注系統(tǒng)時，必須設(shè)置嚴密的擋渣系統(tǒng)，如過濾網(wǎng)(5)線收縮率大，易出現(xiàn)裂紋設(shè)計澆注系統(tǒng)時，應(yīng)盡量使內(nèi)澆口分散，避免熱量集中3鎂合金鑄造與熔煉鎂合金熔煉特點：(1)Mg與O的反應(yīng)固態(tài)的Mg在空氣中與氧反應(yīng)：2Mg+O2=2MgOMgO不致密，不能保護Mg不再氧化；鎂液遇氧氣會劇烈氧化而燃燒，發(fā)出耀眼的白光，最高溫度達2875度。加入Be，形成MgO-BeO復(fù)合膜對鎂液有良好的保護作用(2)Mg與水氣的反應(yīng)Mg與水的反應(yīng)室溫下緩慢，高溫下劇烈：Mg+H2O=MgO+H2+Q1;高溫時生成的氫氣與空氣中的氧氣迅速混合和反應(yīng)，以及液態(tài)的水受熱而迅速汽化，導(dǎo)致劇烈的爆炸，引起鎂液飛濺，危害極大(3)Mg和其它氣體(N2,CO,CO2)的反應(yīng)氮氣對于鎂來說不是惰性的,它能與鎂反應(yīng)生成Mg3N4,該膜疏松多孔,不能阻止反應(yīng)繼續(xù)進行,當(dāng)攪動鎂液時,它還會混入鎂液,懸浮在鎂液中,成為非金屬夾雜物CO,CO2與Mg反應(yīng)生成MgC,MgO,反應(yīng)在低溫時非常緩慢,溫度升高，反應(yīng)加快，但遠遠低于Mg與O2,N2,H2O的反應(yīng)，所以，CO,CO2對于鎂來說有一定保護作用4鈦合金鑄造與熔煉（1）生核速率低，傾向形成粗晶組織由于鈦合金熔體是高活性熔體，可以還原絕大部分難熔化合物，因此在鈦合金熔體中外來形核質(zhì)點少，也就是非均勻形核核心少。實驗表明，冷卻速率相同時，鈦的生核速率比鋁小一個數(shù)量級，比鐵小兩個數(shù)量級晶體生長具有擇優(yōu)生長方向，易長成枝晶(3)合金元素對結(jié)晶過程影響很大a由于鈦合金的導(dǎo)熱性能差，而且隨著合金元素含量的增加而下降，這就使鈦合金凝固過程比較緩慢。b合金凝固過程釋放的結(jié)晶潛熱對凝固過程有重要影響，它會使熔體溫度升高，降低凝固速率,鈦合金中加入鋁后，結(jié)晶潛熱顯著增大，從而導(dǎo)致凝固速率降低。c凝固區(qū)間對凝固過程有重要影響,凝固區(qū)間越小，凝固速度越快，容易形成細晶組織。大多數(shù)合金元素的加入都會增大鈦合金的凝固區(qū)間，導(dǎo)致凝固速率降低。(4)過熱度的影響大澆鑄溫度對合金的凝固過程影響很大，尤其是對于鈦合金這種凝固速率較慢的合金。過熱溫度低可獲得細小的結(jié)晶組織。相反，澆鑄溫度高時，得到粗晶組織。鑄造與變形合金基礎(chǔ)作業(yè)題目：1鑄造鋁合金的分類及牌號2Al-Si類鑄造合金中的雜質(zhì)元素及其危害3比較鑄造鋁合金中四類合金綜合性能姓名：班級：學(xué)號：日期：哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1鑄造鋁合金的分類及牌號鑄造鋁合金:根據(jù)主要加入的合金化元素的不同，分為Al－Si系、Al－Cu系、Al－Mg系和Al－Zn系四種合金。合金牌號用“鑄鋁”二字漢語拼音字首“ZL”后跟三位數(shù)字表示。第一位數(shù)表示合金系列，1為Al－Si系合金；2為Al－Cu系合金；3為Al－Mg系合金；4為Al－Zn系合金。第二、三位數(shù)表示合金的順序號。如ZL201表示1號鋁銅系鑄造鋁合金，ZL107表示7號鋁硅系鑄造鋁合金在ZL后加D表示為鑄錠,如ZLD101；在牌號最后加A表示為優(yōu)質(zhì)，如ZL101A國家標(biāo)準(zhǔn)“鑄造鋁合金技術(shù)條件”：S-砂型鑄造；J-金屬型鑄造；R-熔模鑄造；K-殼型鑄造；B-變質(zhì)處理；F-鑄態(tài)；T1-自然時效；T4-固溶處理后自然時效；T5-固溶處理后不完全人工時效；T6-固溶處理后完全人工時效2Al-Si類鑄造合金中的雜質(zhì)元素及其危害Fe:在合金中以Al9Fe2Si2形式出現(xiàn)；硬而脆，呈粗大片狀，尤其冷速小時；削弱鋁基體(把一個完整的基體撕裂成幾部分)，使合金變脆；破壞鑄件表面氧化膜的連續(xù)性，降低抗腐蝕性；P:P+(Al)→AlP,(Si)從(Al)中被置換出來，形成初晶硅初晶硅會促使共晶硅呈現(xiàn)粗大板條狀.*P與鈉鹽變質(zhì)劑中Na反應(yīng)，3Na+AlP→Na3P+Al，鈉被消耗，使變質(zhì)失效。*當(dāng)P含量超過100ppm時，對合金組織產(chǎn)生不利影響。(3)Sn,Pb,Ca:*Sn,Pb與Al和Si反應(yīng)生成低熔點共晶體，熱處理時引起過燒，含量<0.01%*Ca與Si反應(yīng)生成硬而脆的化合物，使合金變脆，含量<0.03%3比較鑄造鋁合金中四類合金綜合性能鋁硅類性能：鑄造性能優(yōu)良；耐磨性-抗腐蝕性-耐熱性好；但力學(xué)性能不高，且熱處理強化效果小鋁銅類 優(yōu)點：室溫、高溫性能好，富銅相耐熱；切屑性能好，加工表面光潔;熔鑄工藝較 簡單；缺點：鑄造性能差；富銅相與(Al)基體間的電子電位差值大，抗腐蝕性能差；密 度較大；強度低于Al-Si類鑄造合金鋁鎂類 性能特點：有較高的強度、韌性及耐蝕性,密度?。坏T造性能差,耐熱性低。鋁鋅類 性能特點：具有良好的鑄造性能，經(jīng)變質(zhì)處理和時效處理后,強度較高（可自然 時效強化)；但密度大，耐蝕性差鑄造與變形合金基礎(chǔ)作業(yè)題目：以中國為例，論述變形鋁合金的牌號和狀態(tài)表示方法2.以ISO為例，論述變形鋁合金的牌號和狀態(tài)表示方法姓名：班級：學(xué)號：日期：哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院1.以中國為例，論述變形鋁合金的牌號和狀態(tài)表示方法1變形鋁合金牌號根據(jù)新制定的GB/T16474-1996“變形鋁合金及鋁合金牌號表示方法”，凡是成分與變形鋁及鋁合金國際牌號注冊協(xié)議組織（簡稱國際牌號注冊組織）命名的合金相同的所有合金，其命名指直接采用國際四位數(shù)字體系牌號，未與國際四位數(shù)字體系牌號的變形鋁合金接軌的，采用四位字符牌號（但實驗鋁合金在四位字符牌號前加X）命名，并按要求注冊化學(xué)成分。四位字符牌號的第一、三、四位為阿拉伯?dāng)?shù)字，第二位為英文大學(xué)字母（C、I、L、N、O、P、Q、Z字母除外）。牌號第一位數(shù)字表示鋁及鋁合金的組別。如工業(yè)純鋁（1×××系）、Al-Cu（2×××系）、Al-Mn（3×××系）、Al-Si（4×××系）、Al-Mg（5×××系）、Al-Mg-Si（6×××系）、Al-Zn-Mg-Cu（7×××系）、Al-Li（8×××系）和備用合金組（9×××系）。除改型合金外，鋁合金組別按主要合金元素來確定，主要合金元素指極限含量算術(shù)平均值為最大的合金元素。當(dāng)含有一個以上的合金元素極限含量算術(shù)平均值同為最大時，應(yīng)按Cu、Mn、Si、Mg、Zn、其他合金元素的順序來確定合金組別。牌號的第二位字母表示原始純鋁或鋁合金的改型情況，最后兩位數(shù)字表示同一組中不同的鋁合金或者表示鋁的純度。2變形鋁合金狀態(tài)代號和表示方法根據(jù)GB/T16475-1996標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，基礎(chǔ)狀態(tài)代號用一個英文大寫字母表示。細分狀態(tài)代號采用基礎(chǔ)狀態(tài)代號后跟一位或者多位阿拉伯?dāng)?shù)字表示。1）基礎(chǔ)狀態(tài)代號。F—自由加工狀態(tài)O—退火狀態(tài)H—加工硬化狀態(tài)W—固溶熱處理狀態(tài)T—熱處理狀態(tài)2）細分狀態(tài)代號①H（加工硬化）的細分狀態(tài)，即在字母H后面加兩位阿拉伯?dāng)?shù)字（稱作H××狀態(tài)）或者三位阿拉伯?dāng)?shù)字（稱作H×××狀態(tài)）。a)H××狀態(tài)，H后面第一位數(shù)字表示該狀態(tài)的基本處理程序，第二位數(shù)字表示產(chǎn)品的加工硬化程度。H1—單純加工硬化狀態(tài)。適用于未經(jīng)熱處理，只經(jīng)過加工硬化即獲得所需強度的 狀態(tài)。H2—加工硬化既不完全退火狀態(tài)。適用于加工硬化程度超過成品規(guī)定要求后，經(jīng) 不完全退火，使強度降低到指標(biāo)的產(chǎn)品。對于室溫下自然時效軟化的合金， H2與對應(yīng)的H3具有相同的最小極限抗拉強度；對于其他合金，H2與對應(yīng)的 H1具有相同的最小極限抗拉強度，單伸長率比H1稍高。H3—加工硬化及穩(wěn)定化處理的狀態(tài)。適用于加工硬化后經(jīng)低溫?zé)崽幚砘蛴捎诩庸? 過程中的受熱作用致使其力學(xué)性能達到穩(wěn)定的產(chǎn)品。H3狀態(tài)金屬用于室溫下 逐漸時效軟化的合金。H4—加工硬化及噴漆處理的狀態(tài)。適用于加工硬化后經(jīng)噴漆處理導(dǎo)致了不完全退 火的產(chǎn)品。H后面的第二位數(shù)字表示產(chǎn)品的加工硬化程度。數(shù)字8表示硬狀態(tài)。通常采用O狀態(tài)的最小抗拉強度與下表規(guī)定的強度差之和，來規(guī)定H×8狀態(tài)的最小抗拉強度。對于O（退火）和H×8之間的狀態(tài)，應(yīng)在H×代號后分別添加從1到7的數(shù)字表示，在H×后添加9表示比H×8加工硬度程度更大的超硬狀態(tài)。b）H×××狀態(tài)。H111—適用于最終退火后又進行了適量的加工硬化，但加工硬化程度又不及H11 狀態(tài)的產(chǎn)品。H112—適應(yīng)于熱加工成型的產(chǎn)品。該狀態(tài)產(chǎn)品的力學(xué)性能有規(guī)定要求。H116—適用于鎂含量≧0.4%的5×××系合金制成的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品具有規(guī)定的力 學(xué)性能和抗剝落腐蝕的要求。②T（熱處理）狀態(tài)的細分，即在字母T后加一位或者多位阿拉伯?dāng)?shù)字表示T的細分狀態(tài)。T×狀態(tài)。在T后面添加0-10的阿拉伯?dāng)?shù)字表示細分狀態(tài)稱作T×狀態(tài)。b）T××狀態(tài)及T××