鑄造合金與熔煉

1、鑄造合金與熔煉實驗指導書班級： 姓名： 學號： 南京農(nóng)業(yè)大學工學院機械工程系機械制造教研室編2006年10月目 錄實驗一 鑄鋼及鑄鐵金相組織觀察1一、實驗目的1二、實驗原理1三、實驗設備和材料4四、實驗內(nèi)容與步驟4五、 注意事項6六、實驗報告6實驗二 鋁-硅合金變質(zhì)處理及金相組織觀察7一、實驗目的7二、實驗原理7三 實驗設備和材料8四、實驗內(nèi)容與步驟8五、注意事項9六、實驗報告9七、思考題9鑄造合金及其熔煉實驗指導書實驗一 鑄鋼及鑄鐵金相組織觀察一、實驗目的 了解使用中頻感應電爐熔煉鑄鋼和鑄鐵的過程。 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，力學性能。二、實驗原

2、理1、 熔煉感應電爐熔煉是利用交流電感應的作用，使坩堝內(nèi)的金屬爐料本身發(fā)出熱量，將其熔化，并進一步使液體金屬過熱的一種熔煉方法。感應電爐依其構造分為無芯式和有芯式兩種類型。圖1-1 無芯感應電爐的工作原理1一感應器 2一坩堝 3一鋼液(或爐料) 一感應器中瞬間電流方向 一鋼液(或爐料)中產(chǎn)生感應電流方向煉鋼用的是無芯式感應電爐，其工作原理示如圖1-1。在個耐火材料筑成的坩堝外面，有螺旋形的感應器(感應線圈)。在煉鋼過程中，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。當往線圈中通以交流電時，由于感應作用，在爐料(或鋼液)內(nèi)部產(chǎn)生感應電動勢，并因此感生感應電流(渦流)。由于爐料

3、(或鋼液)本身有電阻，故在渦流通過時會發(fā)出熱量。感應電爐煉鋼所需的熱量就是利用這種原理產(chǎn)生的。 無芯感應電爐的構造無芯感應電爐主要由兩個部分構成：爐體部分和電氣部分。爐體部分的構造如圖1-2所示。當交流電通過感應器時，在感應器的內(nèi)部空間中便產(chǎn)生了交圖1-2 感應電爐爐體部分構造圖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 5一感應器6一水泥石棉防護板 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)引起感應電動勢，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 電動勢的大小與磁通及電流頻率有關，其關系式如下 E4.44Nf (V

4、) 式中 磁通(Wb)； N感應器匝數(shù)； f交流電頻率(Hz) 由式可見，增大磁通和提高交流電頻率，能夠提高感應電動勢。 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)生的感應電動勢和電流比里層來得大，這就是所謂的“集膚效應”。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”愈顯著，則發(fā)熱愈是集中于外層。因此，對于大直徑(大容量)的坩堝來說，如果采用高頻率，則在爐料中將只有一個筒狀的外層中發(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、為此應使電流頻率與坩堝直徑(爐子容量)相適應。即爐子的容量大時，所采用的電流頻率應該低些。這即是感應電爐的用電頻率與其容量之間有一定對應關系的道理。 無芯感應電爐依照所采用不同的電流頻率范圍，可分為高頻感應電爐、中頻感應電爐和工頻感應電爐三種類型。2、鑄造碳鋼的結(jié)晶過程和鑄態(tài)組織 結(jié)晶過程 鑄造碳鋼屬于亞共析鋼，其結(jié)晶過程可分為兩個階段，即一次結(jié)晶和二次結(jié)晶。一次結(jié)晶：當鋼液溫度降至液相線時，有高溫鐵索體(Fe)析出。溫度下降至包晶溫度時，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，生成奧氏體，溫度繼續(xù)下降，穿過L+區(qū)時，又有奧氏體自鋼液中析出，此析出過程進行到固相線溫度為止。二次結(jié)晶：當溫度下降至GS線與PS線之間的區(qū)域

6、時，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。當溫度達到共析轉(zhuǎn)變溫度時，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。結(jié)晶過程完了后，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圖62。晶粒的粗細和晶粒的形態(tài)對鋼的性能有重要的影響。晶粒粗大則晶界的比表面積較小，因而鋼的強度較低。柱狀晶具有各向異性，在其橫向上的力學性能特別是韌性較低。在經(jīng)受外力沖擊作用時，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)下力學性能低，特別是不耐沖擊是鑄鋼件必須經(jīng)過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)晶過程，包括初析和共晶凝固兩個階段。當過共晶成分的鐵液冷卻時，先遇到液相線，在一定的過冷下便會析出初析石墨的晶核，并在鐵液中逐漸長大。由于結(jié)晶時的溫度較高，成長的時間較長，又是在鐵液中自由地長大，因而常常長成分枝較少的粗大片狀。當凝固在平衡條件下進行時，只有當化學成分為亞共晶時才會析出初析奧氏體。其實在非平衡條件下，鑄鐵中存在一個共生生長區(qū)，而且偏向石墨的一方，因而在實際情

8、況下，往往共晶成分，甚至過共晶成分的鑄鐵在凝固過程中亦會析出初析奧氏體。在液相線溫度以上，鐵液處于全液態(tài)，當液體冷卻到液相線溫度以下時，奧氏體枝晶便開始析出并長大，當進入共晶階段后， 液體中開始形成共晶團，此時初析奧氏體還會繼續(xù)長大，效量也有增加。鑄鐵在一次結(jié)晶過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)變時只確定了共晶團的數(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，并達到一定過冷度后，就開始共析轉(zhuǎn)變，既鑄鐵的二次結(jié)晶。鑄鐵在二次結(jié)晶過程中 ，在不同的冷卻條件下到到不同的機體組織，鐵素體、珠光體或二者的混合物。三、實驗設備和材料 中頻感應電爐一

9、臺；普通濕砂型鑄造條件，鑄鐵、鑄鋼用材料若干，相關實驗室等。四、實驗內(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)的設計與計算，冒口的設計與計算；鑄造工藝圖，鑄造工藝卡。2、造型 用準備好的型砂造型，每箱l個鑄件和2個拉伸試樣的單鑄試棒。注意需用同一包<爐)鐵水進行澆注。3、配料及準備工作根據(jù)零件的材質(zhì)（牌號），確定化學成分，然后根據(jù)原材料（爐料）的化學成分（表1-1）和中頻爐熔煉元素的燒損率（表1-2）進行配料計算。表1-1 原材料化學成分材料CSiMnSP其它表1-2 合金元素燒損率元素CSiMnSP4、熔煉按照以上計算結(jié)果進行

10、稱量、配料、熔煉。待達到出爐溫度是出爐并進行爐前處理（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，觀察鑄件內(nèi)部是否有缺陷，將以上觀察結(jié)果紀錄。7、力學性能試驗 拉伸試驗 將單鑄件加工為標準的拉伸試樣，在電子拉伸試樣機上進行抗拉強度的測定，紀錄測試結(jié)果。 硬度試驗用觀察完金相組織后的金相試樣測量布什硬度，紀錄測試結(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)砂輪機磨平，然后用金相砂紙磨光、再在

11、拋光機上拋光。根據(jù)具體材料選擇腐蝕劑和腐蝕時間。選擇合適放大倍的數(shù)顯微鏡進行金相組織觀察，畫出典型組織狀態(tài)圖。五、 注意事項在鑄造合金的熔煉與澆注過程中，熔煉與澆注由試驗老師操作。同學不要擁擠、集中精力觀察，防止高溫液體燙傷。六、實驗報告根據(jù)實驗結(jié)果（宏觀、金相、力學），分析鑄鋼、鑄鐵（普通灰鑄鐵、孕育灰鑄鐵）的性能與成分、組織、冷卻速度的關系。9實驗二 鋁-硅合金變質(zhì)處理及金相組織觀察一、實驗目的1、熟悉金屬材料凝固加工制備工藝及通過凝固過程控制金屬凝固組織與性能的基本原理與基本方法，認識降固理論及凝固技術在金屬材料制備過程中的重要作用；2、通過亞共晶、共晶、過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程與凝固組織的實驗研究，深刻認識合金化學成分、凝固條件及熔體變質(zhì)處理等對合金組織與性能的影響：3、初步掌握材料科學與工程的基本研究方法，培養(yǎng)學生的動手能力及獨立分析問題與解決問題的能力。二、實驗原理絕大多數(shù)金屬材料的制備加工都要經(jīng)歷凝固過程，控制材料凝固過程(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研究是當今材料科學與工程前沿熱點研究領域之一。通過自覺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、澆注及凝固過程液態(tài)金屬

13、的運動狀態(tài)等)及合理地設計選擇合金的化學成分(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、晶體生長形態(tài)、凝固偏析及化學成分均勻性、疏松及縮孔等)、力學及物理化學性能(如室溫及高溫強度、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冷度T)、在澆注時進行孕育處理(直接加入和通過熔體反應形成外加晶核)、加強澆注及凝固過程中液態(tài)金屬的流動(如：加壓澆注增加澆注金屬液流速度、超聲波及電磁攪拌、

14、機械攪拌、機械振動等)等措施，可以顯著提高金屬凝固形核率，進而顯著細化晶粒及凝固組織(晶粒尺寸、枝晶間距、共晶團尺寸及層片間距、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成分均勻性，最終顯著改善合金的使用性能(力學性能、化學性能等)及后續(xù)二次加工藝性能。通過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程中晶體的生長取向，獲得具有不同晶體取向特征及特殊性能的凝固組織(如定向生長柱狀晶、單晶及定向共晶；無擇優(yōu)取向的等軸晶等)；通過對合金熔體變質(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、生長特性及生長形態(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

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(正的溫度梯度與負的溫度梯度)。本實驗以在工業(yè)中大量應用的Al-Si鑄造合金為實驗研究對象，選擇亞共晶(Al-6Si)、共晶(Al-12Si)、過共晶(Al-20Si)等三種典型成分Al-Si鑄造合金為實驗對象，通過合金熔體變質(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試評價其相關力學性能(硬度、拉伸性能、沖擊韌性等)，深刻

16、認識凝固條件、熔體。三 實驗設備和材料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)、過共晶(Al-20Si)等三種典型成分Al-Si鑄造合金。四、實驗內(nèi)容與步驟(1) 學生在進入實驗室之前，必須首先自己查閱資料，熟悉有關合金相圖、金屬凝固理論及凝固技術的基本知識，熟悉Al-Si鑄造合金及其鑄造工藝的基本知識(Al-Si合金成分、凝固組織、性能特點、應用、變質(zhì)處理及機理等)。(2) 熟悉材料組織分析基本方法及硬度、沖擊韌性、拉伸性能的實驗方法。(3) 學生自己組合35人為一組，按要求選擇實驗內(nèi)容并自主獨立完成實驗內(nèi)容及實驗

17、報告。(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、初生樹枝晶及共晶相對量等)、性能測試(硬度、沖擊韌性或拉伸性能)。(5) 熔體變質(zhì)處理對亞共晶(A1-6Si)或共晶(Al-12Si)對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、初生樹枝晶及共晶相對量等)、性能測試(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) 過共晶）對鋁硅合金的凝固組織與性能的影響。金屬型準備及砂型造型(拉伸試樣或沖擊試樣)、合金熔煉及熔體