0 引言

“铸造合金及其熔炼”是四年制本科金属材料工程专业的专业必修课之一,通过该门课程的学习,可以让学生掌握铸造合金的合金成分、微观组织、力学性能之间的联系,掌握灰铸铁、碳素铸钢和铝铜等有色金属铸造合金的熔炼原理,了解各种常见的铸造合金及其熔炼工艺的异同性,初步掌握选择合金和熔炼方法的知识和能力,了解各种熔炼炉的优缺点和操作方法,学会使用光学型显微镜观察合金的金相组织,为学生以后从事铸造相关行业奠定基础.在学习该门课程之前,学生应该已经学习“材料科学基础”“材料力学性能”“材料测试分析技术”“金属材料学”“金工实习”和“机械制图”等课程,并且掌握了安全生产的基本知识.铸造有色合金及熔炼是“铸造合金及其熔炼”课程中的重要内容,而铝合金的熔炼又是铸造有色合金及熔炼中的重要内容,铸造铝合金包括铝硅合金,铝铜合金和铝镁合金.通过“合金铸造成型技术实训”课程实训使学生了解工业纯铝与纯铝的区别、工业纯铝的性能特点、铸造铝合金的牌号成分和特点,改善铝硅合金性能的主要工艺方法.了解铝合金熔炼的相关仪器设备和工艺方法,熔炼过程中对铝液合金成分的控制要求,铝液在空气中的氧化和吸气,铝液中气体的产生原因,氢元素在铝液中的溶解度.了解铝合金的精炼工艺,包括吸附式精炼法和非吸附式精炼法.了解共晶反应、亚共晶反应和过共晶反应等铝合金的变质处理工艺.

1 铸造铝合金的选择

铝合金是指由铝为主要合金元素,另外还含有镁、铜、锰和锌等元素的合金,这些元素添加的目的是改善铝合金的微观组织和力学性能,以达到铝合金材料的服役的环境和强度要求.5xxx系铝合金是指以铝和镁元素为主要元素的合金,由于Mg元素在Al基体中的最大固溶度为17.4%,所以该系铝合金的固溶强化作用非常明显,5052铝合金化学成分如表1所示.从Al-Mg二元相图中我们可以知道,Al-Mg二元合金的共晶温度为450℃,因此Al-Mg二元共晶合金具有非常好的流动性.铝镁合金具有可与钢相比的强度和硬度,同时由于其密度低,所以其具有很高的比强度.5052铝合金是5xxx系铝合金中具有代表性的一种铝合金,由于该合金的比强度高和而腐蚀性好,该合金常常用于制作电子器的散热片和建筑用铝合金门窗.随着我国铝合金制造业的飞速发展,我国正在加大力度进一步研究5052铝合金.

2.11 缩略语文中尽量少用。必须使用时应于首次出现处先叙述其全称，然后括号注出中文缩略语或英文全称及其缩略语，后两者间用“，”分开(如该缩略语已共知，可不注出其英文全称)。缩略语不得移行。

从图1可以看出，孔内温度变化受岩层节理裂隙影响，具体表现为：ZK001孔在揭露F1断裂(133.65～139.65 m)时节理裂隙较发育，孔内温度骤增4.0 ℃,涌水量也增加，向下节理裂隙不发育，温度逐渐下降；ZK003孔在31.05～42.90 m温度骤增6.0 ℃，之后逐渐下降；ZK201孔揭露到连通F1断裂的裂隙，温度骤升至51.0 ℃，向下孔内温度逐渐下降。

 

表1 5052铝合金化学成分Tab.1 Chemical composition of 5052 aluminu m alloy

  

注:单个合金元素≤0.05;合金元素合计≤0.15

 

Al Si Cu Mg Zn Mn Cr: Fe余量 ≤0.25 ≤0.10 2.2～2.8 ≤0.10 ≤0.10 0.15～0.35 0.000～0.400

2 实验材料与方法

2.1 铝合金熔炼和浇铸

5052铝合金熔炼和浇铸将使用到坩埚电阻炉、坩埚、坩埚钳、金属模具与固定金属架、压瓢、石英玻璃棒、隔热手套、起模铁钩等.在熔炼前应先检查坩埚电阻炉是否正常工作,坩埚是否有裂纹和损坏,确认设备正常后即可以将铝锭等原材料放入坩埚中.将铝锭等原材料放入坩埚前应该将坩埚内的残余杂物清理干净,以防以前熔炼时剩余的残留物污染铝液.打开电源后开始设定坩埚电阻炉的加热程序,为了防止发生过热现象,我们将分段加热原料并且在每一温度段保温一段时间,该次实验分段加热的温度分别为200℃、300℃、500℃和720℃.在坩埚电阻炉的温度上升至720℃并且保温半小时,观察铝锭等原材料是否已经完全熔化,然后使用石英玻璃棒进行充分搅拌,并使用扒渣勺将铝液上面的浮渣扒去.为了在浇铸时铝液不会过早冷却凝固,并能够充分的充满模具,我们将需要对模具进行230℃的预热.在熔炼过程要注意温度的变化,避免因为热电偶问题而发生铝液过烧的现象,并尽可能避免经常打开电阻炉的盖子,防止铝液发生过量氧化.将预热好的模具取出放置于干燥的地面上,然后开始进行浇注,确保每次浇铸的铝液量要大于模具的容量.浇铸实验开始前应该将实验场地的障碍物清理干净,浇铸过程中要平稳快速地将溶液倒进模具,操作要遵守实验室安全规章制度,穿戴规定的劳保服、劳保鞋和防护面具.

2.2 热处理工艺的选择

金属的热处理工艺基本上由两个步骤组成:(1)首先将金属加热至固相线下某一温度后保温一段时间,然后将金属进行淬火冷却,以获得过饱和固溶体,使金属发生固溶强化,以获得综合的强度和韧性.(2)在室温下或通过加热的方法使金属饱和固溶体析出,从而使金属的硬度和强度再次增加.热处理的目的分别有345℃不保温再结晶退火、400℃～450℃保温完全再结晶退火、450℃～520℃加热保温淬火处理、淬火后放置在常温中自然时效处理、淬火后加热至约120℃～200℃进行人工时效处理.在该实训实验中,我们利用箱式电阻炉对淬火后的5052铝合金进行人工时效处理.箱式电阻炉对工件进行热处理,具有温度可控、时间可调的优势.对于铝合金的热处理工艺的具体选择,每组学生应该在实验开始前通过查阅相关文献,根据文献中的研究现状和进展制定本组实验的铝合金热处理工艺.

2.3 铝合金拉伸样品的设计与制备

用金相切割机在已经做好热处理的2014铝合金板上,切割下一块长、宽皆为1～3 c m的小试样.使用XQ-1型金相试样镶嵌机,把切割好的试样镶嵌为标准金相试样.把镶嵌好的试样在金相预磨机上进行粗磨,然后再用800目→100目→1200目→1500目进行细磨,到用肉眼观察试样表面,无法观察到明显划痕时,便可以到抛光机上抛光.该实验使用的抛光机的抛盘直径为200 min,抛盘转速为900 r/min.

  

图1 5052铝合金拉伸试样Fig.1 Tensile specimen of 5052 aluminu m alloy

2.4 铝合金布氏硬度的测定

在2014铝合金板上取样,试样经过不同温度的退火处理后,使用金相预磨机抛掉表层的氧化皮,使用抛光机上抛掉表层划痕.在HB-300B型布式硬度计上测试硬度,使用的压头直径D为5 mm的钢球,实验力F为2452牛顿,实验力保持时间T为30 s.在每个试样上分别打分布均匀的3个点.然后通过布氏硬度计算公式:HBW=2F/{πD 〔D-(D 2-d 2)1/2}计算试样的布氏硬度值,其中D—钢球直径/mm,D—压痕直径/mm,F—加在钢球上的实验力/N,H—压痕深度/mm,最后计算求出该试样的平均值作为合金的硬度值.

2.5 铝合金金相观察

使用Auto CAD软件将我们所设计的拉伸试样绘制出,并保存为DXF格式文件.由于铝合金铸锭比较小,我们所设计的拉伸试样为非标准拉伸试样,但试样的尺寸大小必须满足国家对非标准试样的基本要求.本文5052铝合金拉伸试样的外形和尺寸如图1所示,拉伸试样的设计涉及“材料力学性能”和“机械制图”的相关知识,学生应当提前复习这两门课程.使用Caxa Wed m软件将DXF文件导入,设置好尺寸补偿、穿丝点、切入点和退出点,然后生成3B代码.在“金工实习”实训课程中,学生已经学习和掌握车床等设备的基本操作,然而对于数控车床的编控系统的学习,学生应该具有《计算机基础》等与操作系统和应用软件等方面的基础知识.将3B代码导入HL线切割系统,在数控程序中调出所需图形,并进行模拟切割,观察图形及回零坐标是否满足需求.装夹工件,保证夹紧、平行,不过度接近或者误切工作台.正式切割前,先开水泵后启动送丝机.切割材料结束后,先暂停,接着依次关停送丝机和水泵电源.取下工件,利用游标卡尺测量试样的尺寸,检验试样是否符合要求.

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2.6 铝合金力学性能测试

此次实验使用的是济南试金WDW-100E微机控制电子式万能试验机.首先打开万能力学试验机的主机电源,然后打开试验机控制电脑上的控制软件,确认万能力学试验机与电脑的联机成功.在电脑工作的界面上选择“试验操作”,然后点击“新建试样”选项,在编号一列输入试样的样品编号.如果试验中使用了“引伸计”,根据所使用的引伸计的标距大小,在“标距”中输引伸计的标距大小.根据所测试样的形状类别,在“截面形状”选项中选择“矩形”或“圆形”,该次实验用的是矩形截面试样,所以分别在“宽度”和“厚度”框里输入游标卡尺所测得的试样尺寸数值,在数据输入完毕后点击“新建试样”和“确认”按键.对拉伸试验机进行检查,看夹块的位置是否合适,并在“位移控制”一栏中选择“速度”选项,将速度大小设置为高速(例如200 mm/min)以方便对夹头的距离进行初步调节,然后把试样装到拉伸试验机上.把位移速度设置为2 mm/min,然后清零各项数据,“曲线”选项中选择“应力-应变曲线”选项,点击“开始”进行拉伸试验.拉伸试验完成后,保存得到的图像和原始实验数据.利用Origin软件将所得的实验数据处理,绘制出如图2所示的工程应力-应变曲线.

  

图2 5052铝合金工程应力-应变曲线Fig.2 Engineering stress-strain curve of 5052 aluminu m alloy

3 结语

合金铸造成型技术实训铝合金牌号的选择运用了“金属材料学”课程铝合金成分和性能的理论知识,通过铝合金的熔炼和浇铸使学生对“铸造合金及其熔炼”课程内容有更直观的认识.铝合金热处理工艺的选择使“材料科学基础”课程中热处理和相变的理论知识得到了实际应用,铝合金拉伸样品的设计与制备使“金工实习”和“机械制图”课程机械设计和机械制造的理论知识得到了加深,同时也提高了学生的动手能力.铝合金硬度、力学性能测试和金相观察使“材料力学性能”“材料测试分析技术”课程关于微观组织结构、塑性、强度和屈服强度等理论知识得到进一步加巩固.合金铸造成型技术实训使学生前面所学的专业课程知识得到综合运用和加深,并为学生将来顺利开展毕业设计工作打下基础.

[参 考 文 献]

[1]魏小华.5052 H32板材的稳定化退火工艺研究[J].热加工工艺,2012,41(6):159-160.

[2]张静,唐聪,赵婧婧,等.均匀化退火对5052含Er铝合金显微组织的影响[J].稀有金属材料与工程,2017,46(11):3491-3497.

[3]徐平平,曹晓卿,樊奇,等.退火工艺对5052铝合金板材力学性能和成形性能的影响[J].轻合金加工技术,2016,44(3):43-47.

[4]易成,关绍康,卢广玺,等.退火工艺对铸轧5052铝合金组织和性能的影响[J].材料热处理学报,2011,32(4):52-57.