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 1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铸造铝合金的牌号表3-1 铸造铝合金的牌号序合金牌合金代序合金牌合金代合金牌合金代ZL109ZALSi7Mg19ZALSi12ZALCu5MnCdAZL101101ZL204ACu1Mg1Ni12 ZL205A ZALCu5MnCdV A ZL111 20 ZALSi9Cu2Mg ZL101A ZALSi7MgA 11ZL114A 21 ZALR5Cu3Si2 ZL207 3 ZALSi12 12 ZL102 ZALSi7Mg1A22 ZL301 ZALMg10 ZL104 ZL115 13 ZALSi5Zn1Mg 4 ZALSi9MgZL116 ZL105 23 ZL303 5 14 ZALSi5Cu1Mg ZALMg5Si1 ZALSi8MgBeZALSi5Cu1MgA ZL105A 6 15 ZALMg8Zn1 ZALCu5Mn ZL201 24 ZL305ZALSi8Cu1Mg ZALCu5MnA ZL106 ZL401 7 16 ZALZn11Si7 ZL201A 2517 ZALCu10 ZL402 ZL107 ZALSi7Cu4 8 ZL202 26 ZALZn6Mg18 ZALCu4 ZALSi12Cu2Mg ZL203 ZL108 93.3 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23.5.1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，电热体有金属的熔化通常采用坩埚电阻炉，炉子的大小一般为30-500kg（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、 3-2所示。

粘土、炭质）两类。

QR系列坩埚熔化电阻炉如图3-1、—坩埚—炉衬 3—加热元件 4—炉盖 5—炉壳1 2 6—倾斜机构 7—支架系列坩埚熔化电阻炉结构图QR3-2 图系列坩埚熔化电阻炉外形图3-1 QR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。

度范围内倾斜浇铸，90通过蜗轮减速机，可将装置在炉架上的炉体在炉面板上装有两个半圆形的炉盖，炉盖合并盖好后留有也可手动操作。

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铝合金熔炼的特点3.5.2.13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， 4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5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。