金属熔炼与铸锭 第一章 有色金属及合金材料 ppt课件

.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,金属熔炼与铸锭,湖南科技大学机电工程学院,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,金属材料广泛应用于航海、航空、航天、汽车、建筑、通讯、家电等领域,在国民经济中占有重要的地位。,金属熔炼与铸锭课程简介,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,绝大多数的金属材料，是通过熔炼-铸造-塑性加工的方法获得，铸锭成分及冶金质量是关系产品是否合格的最关键因素，相关技术是我们必备的专业素质。,金属熔炼与铸锭课程简介,包装用铝箔,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,教学内容：有色合金的熔炼-铸造过程原理、工艺、设备及新技术。主要包括如下内容：,有色金属及合金熔体质量的控制及机理有色金属及合金铸锭冶金质量的控制及机理有色金属及合金的熔铸技术及设备,金属熔炼与铸锭课程简介,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,参考书及教材：1、有色金属及合金的熔炼与铸锭，王文礼，冶金工业出版社，第1版，2009.8；2、有色金属熔炼与铸锭，陈存中，冶金工业出版社；3、金属凝固原理胡汉起；4、其它相关资料。,金属熔炼与铸锭课程,第一讲有色金属及合金材料(1),湖南科技大学机电工程学院,提纲,概述铝及铝合金镁及镁合金铜及铜合金钛及钛合金,.李会强：合金熔炼与铸锭,第一节概述,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,金属的分类,工业生产中，通常把铁、铬、锰及其合金称为黑色金属，如钢与铸铁，把黑色金属以外的其他金属称为有色金属，如铝、镁、钛、铜、铅、镍、锌等金属及合金。,Al，Mg，Ti及其合金密度小Au，Cu，Ag及其合金导电性好Ni，Mo，Nb，Co及其合金耐高温Ni，Ti及合金具有优良的耐蚀性,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,有色金属及其合金的应用越来越多，在国民经济中占越来越重要地位。,飞机制造业：空客A380的铝合金用量在66%以上,汽车制造业:奥迪A8采用全铝车身,有色金属的应用,铝及铝合金是目前应用最广泛的有色金属材料，其在金属材料中的应用仅次于钢。,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金在计算机以及电子通讯等领域的应用近年来急剧增长（年递增20%）。,钛及其合金在航天、航空、化工等领域应用越来越多。,有色金属的应用,F35战机,.李会强：合金熔炼与铸锭,第二节铝及铝合金,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,在地壳中含量：7.73%含量最多的金属元素存在形式：长石、云母（铝硅酸盐矿物）、铝土矿（Al2O3）、明矾石,铝的特点,基本性质,密度2.70g/cm3，约为铁的三分之一，铝合金密度一般为2.52.88之间具有面心立方晶格，延展性好良好的导热性良好的导电性良好的耐核辐射性,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,该部段采用世界先进的第三代铝锂合金材料，有助于提升飞机结构材料性能，减轻飞机整体结构重量。,金属锂,锂的密度：0.534g/cm3,低密度铝锂合金,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,铝资源的分布世界上铝土矿资源总量约在400500亿吨，储量在10亿吨以上的国家有几内亚、澳大利亚、巴西、牙买加及印度等，这些国家的铝土矿占世界铝土矿总储量的73。,中国铝土矿资源丰度属中等水平，产地310处，分布于19个省(区)。总保有储量矿石22.7亿吨，居世界第7位。山西铝资源最多，保有储量占全国储量41%；贵州、广西、河南次之，各占17%左右。,铝的资源、生产和消费,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,铝工业发展简史,1746年，德国科学家波特用明矾制得氧化铝,1825年丹麦科学家奥斯勒用钾还原氧化铝得到少量金属铝,1854年法国科学家德维尔建厂生产一些铝制品，价格昂贵，等同于黄金,1888年美国匹兹堡建立第一家电解铝厂，铝生产进入一个新阶段,明矾,氧化铝,高纯铝锭,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,趣闻,拿破仑三世,门捷列夫,19世纪初，法国皇帝拿破仑三世为显示自己的富有和尊贵，命令官员给自己打造了一顶铝皇冠。在国宴上，只有他使用一套铝制餐具，而他为客人提供的是金制餐具。,1857年，英国皇家学会为表彰门捷列夫对化学的杰出贡献，不惜重金制作了一只铝杯，赠送给门捷列夫。,铝工业发展简史,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,世界主要生产国2005-2012电解铝产量（万吨）,电解铝的产量,目前原铝的生产主要是通过电解法，从氧化铝中还原出金属铝。中国的电解铝产量一直稳居世界首位，比第二位的俄罗斯产量要高出3倍以上，而且目前每年仍以大于10%的速率稳步增长。,铝的资源、生产和消费,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,铝合金的发展,Year,Truckbodies取之不尽,用之不竭铁、铝资源趋于贫化，使用年限仅100-120年。镁在地壳中的含量高，分布广，约占地壳重量的2.0%。海水中的镁资源极其丰富,可使用达1000年,并可循环利用,镁-Magnesium,镁资源,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁资源世界第一（菱镁矿储量世界首位27亿吨、白云石矿青海盐湖廉价镁盐31.5亿吨）；原镁产量世界第一（20万吨，占世界产量近1/2）；原镁出口世界第一（80%作为初级原材料出口）；镁及镁合金深加工应用规模和技术相对薄弱。49%铝合金14%稀土合金17%镁压铸件18%炼钢脱硫2%金属还原,镁资源,镁的用途及比例,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,硅热还原法(Thermalreductionmethod)：粉末状硅铁与MgO置于反应罐中，真空条件下加热到1200，获得镁蒸汽，冷却凝固重熔后得到镁。炭热还原法：加热混有焦炭的MgO即可分离出Mg。,氯化熔盐电解法：电解熔融氯化镁制得金属镁。,镁的提取,氯化镁的生产电解制镁,热还原法：将还原剂与氧化镁混合加热得到镁。,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,最早，在希腊发现白色镁盐，命名为“magnesia”,1808年，戴维，钾还原氧化镁制得金属镁,1828年，法国科学家比西，用钾还原氯化镁制取了相当大量的金属镁,1789，认为菱镁矿焙烧后得到的氧化镁不可再分,1936年，苏联将镁合金用于飞机零件,第二次世界大战期间，镁合金用量激增。战后镁合金主要用于汽车上；,20世纪70年代，镁合金应用出现回落,第一次世界大战期间，镁合金大量用于军事上,20世纪80年代由于能源危机，镁合金的应用开始回升，并有了长足的进步,镁的发展历程,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,密度小(纯镁,1.74g/cm3)、比强度、比刚度高；阻尼性能好，具有高减振性、低惯性；屏蔽性能较好；切削加工性能优良优良的导电、导热性能废料易回收重复使用,主要优点：,镁合金的特点,镁合金被誉为二十一世纪绿色工程材料,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,主要缺点：,化学活性很强，易氧化抗盐水腐蚀能力差塑性较差杨氏模量、疲劳强度和冲击值较铝低焊接性能较差,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,低密度,纯镁的密度为1.74g/cm3，大约为铝合金密度的三分之二，钛合金密度的五分之二，钢铁密度的四分之一。,镁锂合金浮于水上,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,低密度,BMW-630i发动机镁、铝复合曲轴箱体，重量为灰口铁的57%，比铝的轻24%,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,低密度,福特轻型载货车镁合金离合器壳，重25公斤，比铝的轻25%，比铸铁的轻72%。除了重量，用镁合金制作离合器壳还因它有抑制声音和振动的作用。,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,通用汽车公司用镁合金压铸整体的制动踏板托架，它以成本低、重量轻(比常规的焊接钢组件轻50%)、尺寸稳定和良好的铸造性能代替了传统的焊接钢冲压件。,通用汽车1988年采用镁合金制动踏板托架,低密度,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金的特点,比强度、比刚度高,几种典型结构材料的比强度和比刚度对比,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,在弹性范围内，镁合金受到冲击载荷时，吸收的能量比铝合金件大一半，所以镁合金具有良好的抗震减噪性能。,阻尼性能,镁合金车轮,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,在机加工费用方面，镁是所有金属中最易加工且成本最低的金属。高速切削时切屑易断，不需切削液且光洁度好，其加工指数为500，铝为300，一般钢件为100;工具使用寿命长，可使用价格低的切削工具，并可有效地控制公差和表面精度。,机加工性能,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金模具,镁合金不像铝合金那样会冲击压型而使型腔发生热裂和侵蚀，故压型寿命较长:压铸镁为50万次，压铸铝时最多15万次,模具寿命高,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁化学性质活泼，氧化膜疏松多孔，尤其在液态下，容易剧烈氧化、燃烧，熔炼及浇注过程必须进行保护。,易氧化,镁合金浇注过程,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁的标准电极电位为-2.37V，比铝（-1.71V）低，其耐腐蚀性很差，在潮湿大气、海水、无机酸及其盐类、有机酸甲醇等介质中均会发生剧烈的腐蚀。,易腐蚀,镁合金腐蚀形貌,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,由于室温下镁合金难以提供塑性变形所需要的5个独立的滑移系，所以其塑性成形性能很差,几乎不能冷变形。,225以下仅限于0001滑移及锥面10-12孪生。在较高温度下可出现10-11滑移。,镁合金的特点,塑性差,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金的塑性成形温度区间窄，一般在300450的区间内。当成型温度低时，镁合金的变形能力差，易产生冷裂纹。温度过高时，易产生热裂纹，且晶粒粗大，降低性能。,对加工温度敏感,工件开裂,镁合金的特点,工件开裂,塑性差,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金的塑性成形能力差，在热加工过程中需要动态回复与动态再结晶来提供其持续变形能力。而动态回复和动态再结晶的进行程度与时间有关，这就决定了镁合金的塑性加工速率比较慢，生产效率低。例如，镁合金的轧制速率一般控制在10m/min的量级，约是钢的热轧速率的1/10左右。铝合金、低碳钢、铜合金等可以进行高速的锻造，而镁合金的锻造主要是在慢速的压力机上进行。增大塑性加工变形的速率，极易导致表面裂纹。,加工速率慢,变形抗力大,在塑性加工的温度范围内，镁合金比铝合金具有更高的屈服强度。,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,常用塑性成形方法,受其塑性变形能力的限制，镁合金的挤压一般为温挤压和热挤压，也就是坯料和挤压筒等需要加热。其挤压工艺分为正挤和反挤。正向挤压工艺采用直接或者间接挤压的方法将工件推过模具型腔；反向挤压，是使工件穿过模具冲头的外部而成形。挤压是金属坯料在三向压应力状态下变形，因此可充分发挥金属坯料的塑性。,挤压,示意图,挤压机,铸锭,挤压棒,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,可以细化晶粒，通过保留挤压纤维织构可提高强度、可获得优良的表面质量以及良好的尺寸精度。,优点,挤压的速度慢、变形抗力大、挤压加工后由于形成织构而造成材料力学性能的各向异性等。,缺点,挤压,与铝合金相比，其挤压速度要慢一些。挤压速度主要是与合金成分与组织、预热温度、挤压比、制件形状和润滑条件等参数有关。最佳挤压速度的选择标准是：在保证产品质量的前提下，挤压速度越快越好。,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金的锻造一般有两种：自由锻和模锻。但是由于镁合金的变形能力差，无论是采用自由锻还是模锻都必须在高温下进行，适合于采用等温锻造，我国已用等温锻造工艺成功的成形了复杂的镁合金飞机上机匣。,锻造,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金的轧制一般为两辊热轧机，大批量生产也可选用三辊、四辊热轧机。由于镁合金本身塑性较差的限制，其选用坯料一般是变形能力较好，强度比较低的材料，例如AZ31。在轧制过程中，由于温降严重，必须在每道次后对坯料进行保温，才能使变形能够顺利进行。,轧制,轧机,板材,示意图,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金的弹性模量通常为40-45GPa，低于铝合金和钢铁，大大限制了其应用范围。铝合金的弹性模量大约为72GPa，钢铁的弹性模量大约为210GPa。,弹性模量低,镁合金的特点,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金的牌号,XX*,第一个字母：含量最大的合金元素,第二个字母：含量为第二的合金元素,第一个数字：第一个字母的重量%,第二个数字：第二字母的重量%,标识代号，表示合金发展的不同阶段。,美国ASTM标准,例如：AZ31B，AZ91D，ZK60,ASTM:AmericanSocietyforTestingandMaterials-美国材料与试验协会,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,ASTM标准中镁合金牌号中的字母所代表的合金元素,镁合金的牌号,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,ASTM标准中镁合金牌号中的字母所代表的合金元素,镁合金的牌号,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,举例说明,AZ91D-F：表示铸造态的AZ91D合金,AZ91D合金化学成分,镁合金的牌号,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金的牌号,中国镁合金牌号,ZM:铸造镁合金，如ZM5，ZM6MB:变形镁合金，如MB7，MB15YM:压铸镁合金，如YM5ZM-:航空镁合金，如ZM-5,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金的分类,按化学成分分类：,习惯上依据镁与其中的一个主要合金元素，将其划分为二元系。,Mg-Al系：AZ31，AZ61，AZ91等Mg-Zn系：ZK60等Mg-Mn系：ME20等Mg-RE系：WE54，WE43，Mg-Gd-Y等,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金的分类,按是否含Zr元素分类：,Zr在镁合金中是一种重要的可有效细化晶粒的合金元素，但在一些合金中又起不到细化晶粒的作用，故以此分类。,无Zr镁合金：AZ31，AZ61，AZ91，ME20等含Zr镁合金：ZK60，WE54，WE43，Mg-Gd-Y等,按成形工艺分类：,铸造镁合金变形镁合金,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金的分类,中国铸造镁合金牌号及主要成分,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,世界镁合金消耗量正以每年20%速度飞速增长,从1998年到2000年在汽车上的镁合金用量：北美由5.93万吨增至7.85万吨；欧洲由1.68万吨增至2.68万吨；日本由0.63万吨增至0.73万吨。西方目标：在每辆轿车上用镁合金30-40Kg。西方汽车商已把单量轿车用镁合金零件的多少作为衡量汽车科技含量的重要指标。,在汽车、轨道交通上的应用,镁合金的应用,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,在汽车、轨道交通上的应用,轨道交通,可制备轨道客车用列车行李架、座椅骨架、车顶二次骨架、线槽、车箱蜂窝地板等构件，部分替代车体所用钢、铝、木材及工程塑料等材料。,汽车,一般用于制作汽车上的座椅骨架、仪表盘/板、转向盘/方向盘和转向柱、车顶盖、齿轮箱、门框、轮毂、汽车的后轮盖板、汽车发动机的汽缸盖、缸体、托架、变速器壳体、离合器壳体、油箱底壳、灰尘盘、阀门盖、空气吸入阀和空气净化器盖、支架、活环、方向盘减震轴、马达、进气歧管、保安件等零部件（其中，转向盘、转向柱和轮毂是应用镁合金较多的零件）。,镁合金的应用,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,北美、欧洲、日韩等地19912005年轿车用镁合金铸件和压铸件需求情况(kT),镁合金的应用,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金车身,镁合金的应用,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,镁合金曲轴发动机左、右箱体盖；镁合金曲轴发动机后盖；镁合金前、后轮毂；镁合金后扶手；镁合金锁扣。,全镁概念摩托车，12个零部件用镁合金替代（减重6Kg）,摩托车,镁合金的应用,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,汽车座椅骨架,镁合金的应用,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,方向盘骨架,镁合金的应用,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,血管支架,镁合金的应用,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,其它应用,国内家电市场镁合金用量,笔记本外壳,相机机身,手机外壳,镁合金的应用,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,制约镁合金工程应用的三大瓶颈技术,镁合金强度低镁合金耐蚀性能差镁合金塑性成形性能差,“在材料领域中还没有任何材料像镁那样，潜力与现实有如此大的颠倒。”,镁合金的应用,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,提高镁合金耐蚀性能的工作：提高镁及镁合金的纯度；添加新合金化元素开发新合金；表面保护；采用新工艺和新技术；,镁合金的应用,合金元素对镁腐蚀性能的影响,.李会强：合金熔炼与铸锭李会强：合金熔炼与铸锭,发达国家十分重视镁合金研究与开发。美国的镁合金材料体系研制较为完备，合金系列有Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE（稀土）、Mg-Li、Mg-Th等，包括铸造（压铸）件以及板、棒、型材和锻件，并且开发出了快速凝固高性能变形镁合金、非晶态镁合金及镁基复合材料等。美国与世界最大的镁生产企业挪威NovskH