鑄造合金與熔煉

1、鑄造合金與熔煉實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院機(jī)械工程系機(jī)械制造教研室編2006年10月目 錄實(shí)驗(yàn)一 鑄鋼及鑄鐵金相組織觀察1一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)原理1三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料4四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟4五、 注意事項(xiàng)6六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告6實(shí)驗(yàn)二 鋁-硅合金變質(zhì)處理及金相組織觀察7一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)原理7三 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料8四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟8五、注意事項(xiàng)9六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告9七、思考題9鑄造合金及其熔煉實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)一 鑄鋼及鑄鐵金相組織觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解使用中頻感應(yīng)電爐熔煉鑄鋼和鑄鐵的過(guò)程。 熟悉鑄鋼和鑄鐵鑄件和試樣的制作（砂型澆注）。 了解鑄鋼和鑄鐵的金相組織，力學(xué)性能。二、實(shí)驗(yàn)原

2、理1、 熔煉感應(yīng)電爐熔煉是利用交流電感應(yīng)的作用，使坩堝內(nèi)的金屬爐料本身發(fā)出熱量，將其熔化，并進(jìn)一步使液體金屬過(guò)熱的一種熔煉方法。感應(yīng)電爐依其構(gòu)造分為無(wú)芯式和有芯式兩種類型。圖1-1 無(wú)芯感應(yīng)電爐的工作原理1一感應(yīng)器 2一坩堝 3一鋼液(或爐料) 一感應(yīng)器中瞬間電流方向 一鋼液(或爐料)中產(chǎn)生感應(yīng)電流方向煉鋼用的是無(wú)芯式感應(yīng)電爐，其工作原理示如圖1-1。在個(gè)耐火材料筑成的坩堝外面，有螺旋形的感應(yīng)器(感應(yīng)線圈)。在煉鋼過(guò)程中，盛裝在坩堝內(nèi)的金屬爐料(或熔化成的鋼液)，尤如插在線圈中的鐵芯。當(dāng)往線圈中通以交流電時(shí)，由于感應(yīng)作用，在爐料(或鋼液)內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并因此感生感應(yīng)電流(渦流)。由于爐料

3、(或鋼液)本身有電阻，故在渦流通過(guò)時(shí)會(huì)發(fā)出熱量。感應(yīng)電爐煉鋼所需的熱量就是利用這種原理產(chǎn)生的。 無(wú)芯感應(yīng)電爐的構(gòu)造無(wú)芯感應(yīng)電爐主要由兩個(gè)部分構(gòu)成：爐體部分和電氣部分。爐體部分的構(gòu)造如圖1-2所示。當(dāng)交流電通過(guò)感應(yīng)器時(shí)，在感應(yīng)器的內(nèi)部空間中便產(chǎn)生了交圖1-2 感應(yīng)電爐爐體部分構(gòu)造圖1一水泥石棉蓋板 2一耐火磚上框 3一搗制坩堝 4玻璃絲絕緣布 5一感應(yīng)器6一水泥石棉防護(hù)板 7一耐火磚底座 8一不銹鋼制(不感磁)邊框 9一轉(zhuǎn)軸變磁通。交變磁通在金屬爐料(或鋼液)內(nèi)引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在垂直于磁通的平面上產(chǎn)生渦流t從而起加熱作用。感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通及電流頻率有關(guān)，其關(guān)系式如下 E4.44Nf (V

4、) 式中 磁通(Wb)； N感應(yīng)器匝數(shù)； f交流電頻率(Hz) 由式可見(jiàn)，增大磁通和提高交流電頻率，能夠提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 在爐料(鋼液)內(nèi)部，磁通的分布并不是均勻的，而是愈靠近外層(坩堝壁)，磁通密度愈大，愈靠近坩堝的中心線，磁通密度愈小，因此在外層中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流比里層來(lái)得大，這就是所謂的“集膚效應(yīng)”。由于這種電流密度不均勻現(xiàn)象的存在，使得坩堝內(nèi)爐料(鋼液)外層的發(fā)熱量大于里層。采用的電流頻率愈高，“集膚效應(yīng)”愈顯著，則發(fā)熱愈是集中于外層。因此，對(duì)于大直徑(大容量)的坩堝來(lái)說(shuō)，如果采用高頻率，則在爐料中將只有一個(gè)筒狀的外層中發(fā)出較多的熱量，而里層發(fā)熱很少。在這種情況下，加熱的效果低。

5、為此應(yīng)使電流頻率與坩堝直徑(爐子容量)相適應(yīng)。即爐子的容量大時(shí)，所采用的電流頻率應(yīng)該低些。這即是感應(yīng)電爐的用電頻率與其容量之間有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的道理。 無(wú)芯感應(yīng)電爐依照所采用不同的電流頻率范圍，可分為高頻感應(yīng)電爐、中頻感應(yīng)電爐和工頻感應(yīng)電爐三種類型。2、鑄造碳鋼的結(jié)晶過(guò)程和鑄態(tài)組織 結(jié)晶過(guò)程 鑄造碳鋼屬于亞共析鋼，其結(jié)晶過(guò)程可分為兩個(gè)階段，即一次結(jié)晶和二次結(jié)晶。一次結(jié)晶：當(dāng)鋼液溫度降至液相線時(shí)，有高溫鐵索體(Fe)析出。溫度下降至包晶溫度時(shí)，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，生成奧氏體，溫度繼續(xù)下降，穿過(guò)L+區(qū)時(shí)，又有奧氏體自鋼液中析出，此析出過(guò)程進(jìn)行到固相線溫度為止。二次結(jié)晶：當(dāng)溫度下降至GS線與PS線之間的區(qū)域

6、時(shí)，有先共析鐵索體相析出。隨著相的析出，剩余奧氏體的含碳量上升。當(dāng)溫度達(dá)到共析轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。結(jié)晶過(guò)程完了后，鋼的組織基本上不再變化。 鑄態(tài)組織碳鋼鑄件的鑄態(tài)組織的特征是晶粒粗大，有些情況下還存在魏氏(或網(wǎng)狀) 組織。 圖1-3 鑄鋼件斷面上晶區(qū)分布示意圖I一細(xì)等軸晶區(qū) II一柱狀晶區(qū) III一粗等軸晶區(qū)與熱處理后的組織相比，鑄態(tài)組織的晶粒較粗大，而且存在柱狀晶區(qū)，鑄件斷面上典型的晶粒分布見(jiàn)圖62。晶粒的粗細(xì)和晶粒的形態(tài)對(duì)鋼的性能有重要的影響。晶粒粗大則晶界的比表面積較小，因而鋼的強(qiáng)度較低。柱狀晶具有各向異性，在其橫向上的力學(xué)性能特別是韌性較低。在經(jīng)受外力沖擊作用時(shí)，易沿

7、晶界發(fā)生斷裂。這種鑄態(tài)組織特征在厚壁鑄件上表現(xiàn)得尤為明顯。鑄件壁 越厚，則鑄態(tài)下的性能越差。碳鋼在鑄態(tài)下力學(xué)性能低，特別是不耐沖擊是鑄鋼件必須經(jīng)過(guò)熱處理后才能使用的基本原因。3、鑄鐵的結(jié)晶和石墨化鑄鐵從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的一次結(jié)晶過(guò)程，包括初析和共晶凝固兩個(gè)階段。當(dāng)過(guò)共晶成分的鐵液冷卻時(shí)，先遇到液相線，在一定的過(guò)冷下便會(huì)析出初析石墨的晶核，并在鐵液中逐漸長(zhǎng)大。由于結(jié)晶時(shí)的溫度較高，成長(zhǎng)的時(shí)間較長(zhǎng)，又是在鐵液中自由地長(zhǎng)大，因而常常長(zhǎng)成分枝較少的粗大片狀。當(dāng)凝固在平衡條件下進(jìn)行時(shí)，只有當(dāng)化學(xué)成分為亞共晶時(shí)才會(huì)析出初析奧氏體。其實(shí)在非平衡條件下，鑄鐵中存在一個(gè)共生生長(zhǎng)區(qū)，而且偏向石墨的一方，因而在實(shí)際情

8、況下，往往共晶成分，甚至過(guò)共晶成分的鑄鐵在凝固過(guò)程中亦會(huì)析出初析奧氏體。在液相線溫度以上，鐵液處于全液態(tài)，當(dāng)液體冷卻到液相線溫度以下時(shí)，奧氏體枝晶便開(kāi)始析出并長(zhǎng)大，當(dāng)進(jìn)入共晶階段后， 液體中開(kāi)始形成共晶團(tuán)，此時(shí)初析奧氏體還會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大，效量也有增加。鑄鐵在一次結(jié)晶過(guò)程中確定了石墨的形態(tài)、大小和分布狀況，以及初生的晶粒大小。在發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時(shí)只確定了共晶團(tuán)的數(shù)量和大小，并不改變石墨的形態(tài)。 但奧氏體冷卻至共析轉(zhuǎn)變溫度以下，并達(dá)到一定過(guò)冷度后，就開(kāi)始共析轉(zhuǎn)變，既鑄鐵的二次結(jié)晶。鑄鐵在二次結(jié)晶過(guò)程中 ，在不同的冷卻條件下到到不同的機(jī)體組織，鐵素體、珠光體或二者的混合物。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料 中頻感應(yīng)電爐一

9、臺(tái)；普通濕砂型鑄造條件，鑄鐵、鑄鋼用材料若干，相關(guān)實(shí)驗(yàn)室等。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、了解鑄造工藝 根據(jù)所給零件圖紙，了解零件的鑄造工藝，包括澆注位置、分型面的確定，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，冒口的設(shè)計(jì)與計(jì)算；鑄造工藝圖，鑄造工藝卡。2、造型 用準(zhǔn)備好的型砂造型，每箱l個(gè)鑄件和2個(gè)拉伸試樣的單鑄試棒。注意需用同一包<爐)鐵水進(jìn)行澆注。3、配料及準(zhǔn)備工作根據(jù)零件的材質(zhì)（牌號(hào)），確定化學(xué)成分，然后根據(jù)原材料（爐料）的化學(xué)成分（表1-1）和中頻爐熔煉元素的燒損率（表1-2）進(jìn)行配料計(jì)算。表1-1 原材料化學(xué)成分材料CSiMnSP其它表1-2 合金元素?zé)龘p率元素CSiMnSP4、熔煉按照以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行

10、稱量、配料、熔煉。待達(dá)到出爐溫度是出爐并進(jìn)行爐前處理（孕育）。5、澆注爐前處理結(jié)束后，將液態(tài)金屬澆入鑄型。6、鑄件宏觀質(zhì)量檢查澆注后冷卻到室溫打箱、清理，觀察鑄件表面是否有砂眼、氣孔等缺陷。然后打掉澆冒口，觀察內(nèi)澆道處、冒口根部是否有縮孔 、縮松、組織粗大等，最后將鑄件縱向剖開(kāi)，觀察鑄件內(nèi)部是否有缺陷，將以上觀察結(jié)果紀(jì)錄。7、力學(xué)性能試驗(yàn) 拉伸試驗(yàn) 將單鑄件加工為標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，在電子拉伸試樣機(jī)上進(jìn)行抗拉強(qiáng)度的測(cè)定，紀(jì)錄測(cè)試結(jié)果。 硬度試驗(yàn)用觀察完金相組織后的金相試樣測(cè)量布什硬度，紀(jì)錄測(cè)試結(jié)果。8、金相組織觀察從拉伸試樣中截取20mm左右作為晶相試塊，然后經(jīng)砂輪機(jī)磨平，然后用金相砂紙磨光、再在

11、拋光機(jī)上拋光。根據(jù)具體材料選擇腐蝕劑和腐蝕時(shí)間。選擇合適放大倍的數(shù)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，畫出典型組織狀態(tài)圖。五、 注意事項(xiàng)在鑄造合金的熔煉與澆注過(guò)程中，熔煉與澆注由試驗(yàn)老師操作。同學(xué)不要擁擠、集中精力觀察，防止高溫液體燙傷。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（宏觀、金相、力學(xué)），分析鑄鋼、鑄鐵（普通灰鑄鐵、孕育灰鑄鐵）的性能與成分、組織、冷卻速度的關(guān)系。9實(shí)驗(yàn)二 鋁-硅合金變質(zhì)處理及金相組織觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉金屬材料凝固加工制備工藝及通過(guò)凝固過(guò)程控制金屬凝固組織與性能的基本原理與基本方法，認(rèn)識(shí)降固理論及凝固技術(shù)在金屬材料制備過(guò)程中的重要作用；2、通過(guò)亞共晶、共晶、過(guò)共晶三種成分鋁硅合金在普通砂型

12、鑄造、金屬型鑄造等凝固加工條件下凝固過(guò)程與凝固組織的實(shí)驗(yàn)研究，深刻認(rèn)識(shí)合金化學(xué)成分、凝固條件及熔體變質(zhì)處理等對(duì)合金組織與性能的影響：3、初步掌握材料科學(xué)與工程的基本研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力及獨(dú)立分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。二、實(shí)驗(yàn)原理絕大多數(shù)金屬材料的制備加工都要經(jīng)歷凝固過(guò)程，控制材料凝固過(guò)程(熔煉及熔體處理、澆注、凝固冷卻及成型條件等)是控制材料組織、提高和挖掘材料性能潛力及研究開(kāi)發(fā)新材料的重要途徑之一，材料凝固理論與凝固加工制備新技術(shù)研究是當(dāng)今材料科學(xué)與工程前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域之一。通過(guò)自覺(jué)地控制合金的凝固條件(如凝固冷卻速度、凝固冷卻散熱的方向性、孕育處理、變質(zhì)處理、澆注及凝固過(guò)程液態(tài)金屬

13、的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等)及合理地設(shè)計(jì)選擇合金的化學(xué)成分(如合金凝固溫度范圍、溶質(zhì)元素再分配及凝固偏析特性等)，可以有效的控制金屬材料的凝固組織(如晶粒尺寸及樹枝晶間距、晶體生長(zhǎng)形態(tài)、凝固偏析及化學(xué)成分均勻性、疏松及縮孔等)、力學(xué)及物理化學(xué)性能(如室溫及高溫強(qiáng)度、塑性、韌性、耐蝕性、抗氧化性能等)及工藝性能(如：鑄造工藝性能及熱處理工藝性能、鍛造工藝性能、焊接工藝性能、機(jī)械加工性能等后續(xù)二次加工工藝性能)。采取提高合金凝固冷卻速度(提高合金熔體凝固過(guò)冷度T)、在澆注時(shí)進(jìn)行孕育處理(直接加入和通過(guò)熔體反應(yīng)形成外加晶核)、加強(qiáng)澆注及凝固過(guò)程中液態(tài)金屬的流動(dòng)(如：加壓澆注增加澆注金屬液流速度、超聲波及電磁攪拌、

14、機(jī)械攪拌、機(jī)械振動(dòng)等)等措施，可以顯著提高金屬凝固形核率，進(jìn)而顯著細(xì)化晶粒及凝固組織(晶粒尺寸、枝晶間距、共晶團(tuán)尺寸及層片間距、顯微疏松數(shù)量及尺寸等)，顯著減輕凝固偏析和提高凝固組織的化學(xué)成分均勻性，最終顯著改善合金的使用性能(力學(xué)性能、化學(xué)性能等)及后續(xù)二次加工藝性能。通過(guò)控制合金凝固冷卻散熱的方向性及溫度梯度，可以控制合金凝固過(guò)程中晶體的生長(zhǎng)取向，獲得具有不同晶體取向特征及特殊性能的凝固組織(如定向生長(zhǎng)柱狀晶、單晶及定向共晶；無(wú)擇優(yōu)取向的等軸晶等)；通過(guò)對(duì)合金熔體變質(zhì)處理與微合金化，可以改變某些晶體的液一固界面結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)特性及生長(zhǎng)形態(tài)(如：Al-Si合金變質(zhì)處理后共晶硅針片狀轉(zhuǎn)變?yōu)閳A滑的點(diǎn)

15、狀或棒狀；球墨鑄鐵經(jīng)球化處理后石墨由片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榍蜣D(zhuǎn)等)，從而顯著改變合金的凝固組織與性能；而晶體生長(zhǎng)形態(tài)，即界面的宏觀形態(tài)則取決于界面前沿溫度的分布(正的溫度梯度與負(fù)的溫度梯度)。本實(shí)驗(yàn)以在工業(yè)中大量應(yīng)用的Al-Si鑄造合金為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，選擇亞共晶(Al-6Si)、共晶(Al-12Si)、過(guò)共晶(Al-20Si)等三種典型成分Al-Si鑄造合金為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)合金熔體變質(zhì)處理、改變合金鑄造凝固冷卻條件(冷卻速度緩慢、溫度梯度很低的普通濕砂型鑄造條件；冷卻速度較快、溫度梯度較高的金屬型鑄造條件等)等措施控制凝固組織，分析合金的凝固組織并測(cè)試評(píng)價(jià)其相關(guān)力學(xué)性能(硬度、拉伸性能、沖擊韌性等)，深刻

16、認(rèn)識(shí)凝固條件、熔體。三 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料15kW電阻合金熔煉爐，金屬型鑄造模具及鑄造條件、普通濕砂型鑄造條件等。亞共晶(Al-6Si)、共晶(Al-12Si)、過(guò)共晶(Al-20Si)等三種典型成分Al-Si鑄造合金。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟(1) 學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前，必須首先自己查閱資料，熟悉有關(guān)合金相圖、金屬凝固理論及凝固技術(shù)的基本知識(shí)，熟悉Al-Si鑄造合金及其鑄造工藝的基本知識(shí)(Al-Si合金成分、凝固組織、性能特點(diǎn)、應(yīng)用、變質(zhì)處理及機(jī)理等)。(2) 熟悉材料組織分析基本方法及硬度、沖擊韌性、拉伸性能的實(shí)驗(yàn)方法。(3) 學(xué)生自己組合35人為一組，按要求選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并自主獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)

17、報(bào)告。(4) 凝固冷卻條件(普通砂型鑄造條件，凝固冷卻速度很低；金屬型鑄造條件，凝固冷卻速度較高)對(duì)亞共晶(Al-6Si)或共晶(Al-12Si)鋁硅合金的凝固組織與性能的影響。金屬型準(zhǔn)備及砂型造型(拉伸試樣或沖擊試樣)、合金熔煉及熔體變質(zhì)處理、試樣澆注、組織分析(凝固組織的粗細(xì)、初生樹枝晶及共晶相對(duì)量等)、性能測(cè)試(硬度、沖擊韌性或拉伸性能)。(5) 熔體變質(zhì)處理對(duì)亞共晶(A1-6Si)或共晶(Al-12Si)對(duì)鋁硅合金的凝固組織與性能的影響(澆鑄沖擊試樣或拉伸試樣)。 金屬型準(zhǔn)備及砂型造型(拉伸試樣或沖擊試樣)、合金熔煉及熔體變質(zhì)處理、試樣澆注、組織分析(凝固組織的粗細(xì)、初生樹枝晶及共晶相對(duì)量等)、性能測(cè)試(硬度、沖擊韌性或拉伸性能)。(6) 合金成分（ (Al-6Si) 亞共晶、 (Al-12Si) 共晶及 (Al-20Si) 過(guò)共晶）對(duì)鋁硅合金的凝固組織與性能的影響。金屬型準(zhǔn)備及砂型造型(拉伸試樣或沖擊試樣)、合金熔煉及熔體