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金属专业综合实验报告 班级 姓名 学号 实验目的：熟悉金属材料的常规制备技术，掌握常见的材料成型技术。 实验要求：要求学生加深对《材料制备技术》和《金属塑性加工技术》专业课的理解，熟练掌握Mg、Al和Cu等合金的熔炼，了解钢铁的熔炼技术；掌握金属塑性加工如挤压、轧制、拉拔以及锻造等常用的加工技术；应用所学的专业综合知识对金属材料制备、塑性成型中的组织和性能学会分析，得出正确的实验结论。 实验报告正文 1. 6063铝合金的应用和研究进展（1-3组写6066,4-6组写6063） 1.1 应用 1.2 研究进展 2. 铝合金熔炼技术的发展 2.1 普通熔炼技术 2.2 真空熔炼技术 真空感应熔炼炉(Vacuum Induction Melting，VIM)首先兴起于德国，随后在美国发展迅速。70年代其产量增长为40万吨，之后产量相对稳定，产品品种在扩大，炉型在真空泵、控制系级、过滤技术上均有所改进。 真空冶金广义上包括：真空蒸馏、真空分离、真空还原、真空烧结、真空焊接、真空镀膜、真空热处理等，其真空度通常为0.1-50Pa。而作为金属材料制备工艺主体仍是真空熔炼。真空感应熔炼主要用于难熔金属W、Mo、Ta及其合金，活性金属Ti、Zr、Tb、Cr、U、V、Nb及其合金及超级合金等，如汽车用深冲钢板IF钢，要求钢中[C]+[P]+[S]+[O]+[N]+[H]≤75μg/g，仪表轴承用钢中要求[O]≤8μg/g、[S]≤8μg/g，这都已非传统冶金工艺所能满足，必须采用真空精炼手段。美国生产的钢有一半都采用真空感应熔炼及真空脱气处理，日本绝大多数钢厂备有真空脱气装置。 2.2.1真空感应熔炼的特点 真空中氧气的分压很低，无论金属呈固态还是液态都极少在真空中氧化[38]；在真空条件下熔炼合金，既不会溶解气体，还能除去其本身的某些气体和夹杂物，使合金的纯度提高。因此，真空条件利于铝合金熔炼。用真空法和常压气体保护法熔炼制备的合金存在差异。从冶金质量来看，真空熔炼工艺制备的合金中夹杂较少，而常压气体保护下熔炼制得的合金中存在较多的氧化物夹杂，冶金质量较差，这也导致真空熔炼法制备的合金强度、屈强比和塑性均高于常压气体熔炼制备的合金。 高纯金属在真空条件下熔炼后，真空熔炼可以保护铝、镁等合金元素免于氧化，非金属等杂质元素比基体金属饱和蒸汽压大，在熔炼时易于挥发而除去，金属受热后气化，形成金属气体，不同金属气体的蒸汽压各有差别。合金熔体中的金属在真空下，发生蒸发损失元素的蒸发损失量可表达为： W?2.63?10?3?pi?p?M (1.1) T式中：W —蒸发率，g/cm2·min； pi —元素的饱和蒸汽压，Pa； p —熔体表面该元素的分压，Pa； M —元素的原子量； T —温度，K 在真空熔炼时，熔体表面合金元素的分压可近似的等于真空度。为了不使合金元素蒸发，真空度要小于元素的饱和蒸汽压。 据文献报道，真空熔炼过程中，双原子气体在金属中的溶解度与它在气相中分压的平方根成正比，如： H?KH2?PH2? (1.2) 式中：H —氢在合金中的溶解度； 12KH2—氢在金属中溶解的平衡系统，当温度一定时，KH2为常数； PH2 —氢在气相中的分压，在真空熔炼过程中，真空度越高，PH2越低，合金中氢的残留量越低。 高纯金属大多都用在微电子行业、超导电子行业等领域，这些行业对高纯金属的纯度要求高，对含气量的要求也高，所以高纯金属真空熔炼除气是必要的。此外，真空熔炼使许多金属的氮化物、氢化物都易于进行分解，其中最易分解的是氮化物，分解生成的气体产物会通过不同的途径逸向气相，最后被真空机组排除炉外。 2.2.2真空感应熔炼的研究现状 真空感应熔炼工艺具有普通熔炼所不具备的优点，因此被广泛应用于金属熔炼过程。目前电磁搅拌已经应用于镁、铝、锌等作为基体的多种合金，取得了比较好的效果。 真空感应熔炼可以精确控制合金成分，并通过与气相相关的反应提高合金的纯净度，是目前高温合金最主要的熔炼方法之一。用真空感应熔炼工艺生产高温合金时，氧气分压很低，可以避免形成非金属氧化物夹杂。但是由于一般不采用活性熔渣，一些反应产物只能沉积在钢锅壁上，而且存在熔渣/合金液与坩埚耐火材料之间的相互作用。因此，真空感应熔炼对于非金属夹杂物的去除效果较差，使合金的纯度达不到要求。美国通用电气公司的Carter等采用EB-Button方法对真空感应熔炼Incol 718合金中的夹杂物进行了研究。结果发现，直径大于20微米的夹杂物成团成簇，且主要是Al、Si、Mg、Ca的氧化物类夹杂。日本Nippon Mining公司的Denda等也得到类似的研究结果。真空技术在冶金工业中的应用时间毕竟还不长，在理论深度和应用广度上还有许多不足之处，因此需进一步改进和完善真空感应熔炼技术。 冶金工业中使用真空技术，将冶金过程由常压冶金发展到真空中进行的真空冶金作业，是近半个世纪来的事。它使冶金的作业环境以及作业条件均发生了巨大的变化，许多以前不能进行的冶金作业，在真空中可以进行；许多以前能够进行的冶金过程，在真空中可以进行得更加完美。随着人类科技的进步，对冶金产品的需求不断增加，对资源和环保的要求日益提高，必将推动真空冶金技术的进一步发展。 2.2.3水冷铜模铸造工艺对合金组织的影响 凝固过程中的冷却速率是标志凝固条件的主要指标，不同凝固条件下的冷却速率变化范围达十几个数量级。在不同的冷却速率条件下，凝固过程的主要矛盾发生变化。因此，凝固过程中的研究内容也随之发生变化。不同凝固方法对应的冷却速率范围、试样尺寸、枝晶臂间距不同。传统的凝固理论与技术的研究主要是围绕铸锭和铸件的铸造过程进行的，其冷却速率通常在10-3-10K·s-1的范围内。由于凝固时的冷却速率很小，常规铸造合金容易出现晶粒粗大、偏析严重、铸造性能不好等严重缺陷。快速凝固冷却速率大于105K·s-1，凝固组织具有很好的使用性能，因而日益受到重视。但是由于内部热阻，限制了材料的凝固速度，而且快速凝固工艺设备及控制过程十分复杂，所以快速凝固组织只能在很小体积的材料上实现，在大规模工业生产中难以获得，这大大限制了快速凝固材料的应用。具体如表1.1所示 表1.1 凝固冷却速率与铸件特征的关系 冷却速率范围 铸 件 特 征 限度/K·s-1 冷却速凝固方法 极限厚度 枝晶臂间距 率 10-6-10-3 十分慢 大的砂型铸造、一些人工晶>6m 5-0.5mm 体 -310-10 慢 标准铸件、绞线 6-0.2m 500-50μm 310-10 亚快速 薄带、压铸和常规原子化 200-6mm 50-5μm 103-106 快速 细粉原子化、熔体压铸、吸6-0.2mm 5-0.5μm 铸 106-109 喷射沉积、熔体旋转、电子超快速 200-6μm 0.5-0.05μm 及以上 束、激光束上釉 亚快速凝固的概念是随着快速凝固概念的提出和发展而发展起来的。亚快速凝固是指凝固冷却速率很快(约10-103K·s-1)，已经远离了工业冷却速率的范围，但是与快速凝固又不同，是一种介于近平衡低速生长和远离平衡快速生长之间的过渡区，又称为准快速凝固或近快速凝固。与快速凝固技术相比，亚快速凝固对工艺设备的要求有所降低，更容易实现大规模工业生产，而其凝固组织又具有快速凝固组织的特点，可以使材料的使用性能大大提高，具有很好的应用前景。在低速平衡或近平衡凝固过程中，合金在整个体积或界面局域平衡，形成平衡组织，可以应用平衡相图及杠杆定律、平衡溶质分凝系数来分析。而在亚快速凝固或快速凝固过程中，凝固速率很高，固液相线温度发生明显变化，合金在整个体积完全失稳，属于非平衡凝固状态，固液界面局域平衡失效，形成亚稳组织，甚至在极端不平衡条件下发生无偏析无扩散凝固，形成非平衡组织。亚快速凝固技术对铸件的凝固组织主要有以下影响： (1)细化凝固组织 凝固过程是一个不断形核和晶核不断长大的过程，而在大的凝固速率下，可能萌发出更多的晶核，达到很高的形核率，但是其生长时间又很短。因此，亚快速凝固技术可使晶粒细化。细小的凝固组织会极大的改善铸件的综合性能，使材料获得更广泛的用途。 (2)减小偏析 在亚快速凝固条件下，凝固速率可能超过界面上溶质原子的扩散速率，即进入低偏析、低扩散凝固。溶质分配系数随着凝固速率的增大而趋近于1，凝固组织会形成非常细小的胞状晶或树枝晶，枝晶臂间距都在几微米左右，因此表现出的显微偏析也很小，凝固组织均匀性提高。 (3)扩大固溶极限 极快的冷却速率可显著扩大溶质元素的固溶极限，共晶合金通过快速凝固甚至可以形成单向的固溶体组织。 (4)形成亚稳相 在高的冷却速率条件下平衡相的析出可能被抑制，导致非平衡亚稳相结构产生，包括扩大已有的亚稳相和析出新的非平衡的亚稳相。 2.2.4 6063铝合金的二次枝晶臂间距与冷却速率对应关系 2024铝合金的二次枝晶臂间距及冷却速率 铸造方式 普铸铸造 水冷钢模铸造 水冷铜模铸造 16.41 28.3 ?2 (μm) 冷却速度（k/s） 53.63 0.8 25.71 7.4 2.2.5 6066铝合金的二次枝晶臂间距及冷却速率对应关系 6066铝合金的二次枝晶臂间距及冷却速率 铸造方式 普铸铸造 水冷钢模铸造 水冷铜模铸造 18.8 26.3 ?2 (μm) 冷却速度（k/s） 60.2 1.1 30.4 9.2 2.2.6真空感应熔炼显微硬度与熔炼温度关系 下表给出了真空感应熔炼水冷铜模铸造2024铝合金在不同过热度下合金的平均显微硬度值。由表中可以看出随着合金熔体温度的提高，合金铸锭的平均显微硬度值也随着增高。当合金熔炼功率为15kW、熔体温度达到860℃时，合金的平均显微硬度值最高，达到了117.2HV。这是因为板材的组织枝晶减少，等轴晶数量大大增加，板材组织更加细化，晶界数量增多，变形抗力增大，在硬度上表现为硬度的增加。 2024铝合金不同过热度下合金的平均显微硬度值 熔体温度(℃) 750 780 810 平均显微硬度(HV) 6066铝合金不同过热度下合金的平均显微硬度值 91.9 100.74 117.2

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