实验指导书
铸造合金与熔炼
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南京农业大学工学院机械工程系
机械制造教研室编 2006年10月
目 录
实验一 铸钢及铸铁金相组织观察 ........................................... 错误!未定义书签。
一、实验目的 ...................................................................... 错误!未定义书签。 二、实验原理 ...................................................................... 错误!未定义书签。 三、实验设备和材料 .......................................................... 错误!未定义书签。 四、实验内容与步骤 .......................................................... 错误!未定义书签。 五、 注意事项 .................................................................... 错误!未定义书签。 六、实验报告 ...................................................................... 错误!未定义书签。 实验二 铝-硅合金变质处理及金相组织观察 ........................ 错误!未定义书签。
一、实验目的 ...................................................................... 错误!未定义书签。 二、实验原理 ...................................................................... 错误!未定义书签。 三 实验设备和材料 ............................................................ 错误!未定义书签。 四、实验内容与步骤 .......................................................... 错误!未定义书签。 五、注意事项 ...................................................................... 错误!未定义书签。 六、实验报告 ...................................................................... 错误!未定义书签。 七、思考题 .......................................................................... 错误!未定义书签。
实验一 铸钢及铸铁金相组织观察
一、实验目的
⑴ 了解使用中频感应电炉熔炼铸钢和铸铁的过程。 ⑵ 熟悉铸钢和铸铁铸件和试样的制作（砂型浇注）。 ⑶ 了解铸钢和铸铁的金相组织，力学性能。
二、实验原理
1、 熔炼
感应电炉熔炼是利用交流电感应的作用，使坩埚内的金属炉料本身发出热量，将其熔化，并进一步使液体金属过热的一种熔炼方法。感应电炉依其构造分为无芯式和有芯式两种类型。
图1-1 无芯感应电炉的工作原理
1一感应器 2一坩埚 3一钢液(或炉料)
①一感应器中瞬间电流方向 ②一钢液(或炉料)中产生感应电流方向
炼钢用的是无芯式感应电炉，其工作原理示如图1-1。在—个耐火材料筑成的坩埚外面，有螺旋形的感应器(感应线圈)。在炼钢过程中，盛装在坩埚内的金属炉料(或熔化成的钢液)，尤如插在线圈中的铁芯。当往线圈中通以交流电时，由于感应作用，在炉料(或钢液)内部产生感应电动势，并因此感生感应电流(涡流)。由于炉料(或钢液)本身有电阻，故在涡流通过时会发出热量。感应电炉炼钢所需的热量就是利用这种原理产生的。 无芯感应电炉的构造
无芯感应电炉主要由两个部分构成：炉体部分和电气部分。炉体部分的构
造如图1-2所示。当交流电通过感应器时，在感应器的内部空间中便产生了交
图1-2 感应电炉炉体部分构造图
1一水泥石棉盖板 2一耐火砖上框 3一捣制坩埚 4—玻璃丝绝缘布 5一感应器 6一水泥石棉防护板 7一耐火砖底座 8一不锈钢制(不感磁)边框 9一转轴
变磁通。交变磁通在金属炉料(或钢液)内引起感应电动势，在垂直于磁通的平面上产生涡流t从而起加热作用。感应 电动势的大小与磁通及电流频率有关，其关系式如下
E＝4.44ΦNf (V) 式中 Φ—磁通(Wb)； N——感应器匝数； f——交流电频率(Hz)
由式可见，增大磁通和提高交流电频率，能够提高感应电动势。 在炉料(钢液)内部，磁通的分布并不是均匀的，而是愈靠近外层(坩埚壁)，磁通密度愈大，愈靠近坩埚的中心线，磁通密度愈小，因此在外层中产生的感应电动势和电流比里层来得大，这就是所谓的“集肤效应”。由于这种电流密度不均匀现象的存在，使得坩埚内炉料(钢液)外层的发热量大于里层。采用的电流频率愈高，“集肤效应”愈显著，则发热愈是集中于外层。因此，对于大直径(大容量)的坩埚来说，如果采用高频率，则在炉料中将只有一个筒状的外层中发出较多的热量，而里层发热很少。在这种情况下，加热的效果低。为此应使电流频率与坩埚直径(炉子容量)相适应。即炉子的容量大时，所采用的电流频
率应该低些。这即是感应电炉的用电频率与其容量之间有一定对应关系的道理。 无芯感应电炉依照所采用不同的电流频率范围，可分为高频感应电炉、中频感应电炉和工频感应电炉三种类型。 2、铸造碳钢的结晶过程和铸态组织 ① 结晶过程
铸造碳钢属于亚共析钢，其结晶过程可分为两个阶段，即一次结晶和二次结晶。
一次结晶：当钢液温度降至液相线时，有高温铁索体(δ—Fe)析出。温度下降至包晶温度时，发生包晶转变，生成奥氏体，温度继续下降，穿过L+γ区时，又有奥氏体自钢液中析出，此析出过程进行到固相线温度为止。
二次结晶：当温度下降至GS线与PS线之间的区域时，有先共析铁索体相析出。随着α相的析出，剩余奥氏体的含碳量上升。当温度达到共析转变温度时，发生共析转变，形成珠光体。结晶过程完了后，钢的组织基本上不再变化。 ② 铸态组织
碳钢铸件的铸态组织的特征是晶粒粗大，有些情况下还存在魏氏(或网状) 组织。
图1-3 铸钢件断面上晶区分布示意图
I一细等轴晶区 II一柱状晶区 III一粗等轴晶区
与热处理后的组织相比，铸态组织的晶粒较粗大，而且存在柱状晶区，铸件断面上典型的晶粒分布见图6—2。晶粒的粗细和晶粒的形态对钢的性能有重要的影响。晶粒粗大则晶界的比表面积较小，因而钢的强度较低。柱状晶具有各向异性，在其横向上的力学性能特别是韧性较低。在经受外力冲击作用时，易沿晶界发生断裂。这种铸态组织特征在厚壁铸件上表现得尤为明显。铸件壁 越厚，则铸态下的性能越差。碳钢在铸态下力学性能低，特别是不耐冲击是铸钢件必须经过热处理后才能使用的基本原因。
3、铸铁的结晶和石墨化
铸铁从液态转变成固态的一次结晶过程，包括初析和共晶凝固两个阶段。 当过共晶成分的铁液冷却时，先遇到液相线，在一定的过冷下便会析出初析石墨的晶核，并在铁液中逐渐长大。由于结晶时的温度较高，成长的时间较长，又是在铁液中自由地长大，因而常常长成分枝较少的粗大片状。 当凝固在平衡条件下进行时，只有当化学成分为亚共晶时才会析出初析奥氏体。其实在非平衡条件下，铸铁中存在一个共生生长区，而且偏向石墨的一方，因而在实际情况下，往往共晶成分，甚至过共晶成分的铸铁在凝固过程中亦会析出初析奥氏体。
在液相线温度以上，铁液处于全液态，当液体冷却到液相线温度以下时，奥氏体枝晶便开始析出并长大，当进入共晶阶段后， 液体中开始形成共晶团，此时初析奥氏体还会继续长大，效量也有增加。
铸铁在一次结晶过程中确定了石墨的形态、大小和分布状况，以及初生γ的晶粒大小。在发生共晶转变时只确定了共晶团的数量和大小，并不改变石墨的形态。
但奥氏体冷却至共析转变温度以下，并达到一定过冷度后，就开始共析转变，既铸铁的二次结晶。铸铁在二次结晶过程中 ，在不同的冷却条件下到到不同的机体组织，铁素体、珠光体或二者的混合物。
三、实验设备和材料
中频感应电炉一台；普通湿砂型铸造条件，铸铁、铸钢用材料若干，相关实验室等。
四、实验内容与步骤
1、了解铸造工艺
根据所给零件图纸，了解零件的铸造工艺，包括浇注位置、分型面的确定，浇注系统的设计与计算，冒口的设计与计算；铸造工艺图，铸造工艺卡。 2、造型
用准备好的型砂造型，每箱l个铸件和2个拉伸试样的单铸试棒。注意需用同一包<炉)铁水进行浇注。
3、配料及准备工作
根据零件的材质（牌号），确定化学成分，然后根据原材料（炉料）的化学成分（表1-1）和中频炉熔炼元素的烧损率（表1-2）进行配料计算。
表1-1 原材料化学成分
材料 C Si Mn 表1-2 合金元素烧损率
元素 C Si Mn S P S P 其它 4、熔炼
按照以上计算结果进行称量、配料、熔炼。待达到出炉温度是出炉并进行炉前处理（孕育）。 5、浇注
炉前处理结束后，将液态金属浇入铸型。 6、铸件宏观质量检查
浇注后冷却到室温打箱、清理，观察铸件表面是否有砂眼、气孔等缺陷。然后打掉浇冒口，观察内浇道处、冒口根部是否有缩孔 、缩松、组织粗大等，最后将铸件纵向剖开，观察铸件内部是否有缺陷，将以上观察结果纪录。
7、力学性能试验
⑴ 拉伸试验
将单铸件加工为标准的拉伸试样，在电子拉伸试样机上进行抗拉强度的测定，纪录测试结果。
⑵ 硬度试验
用观察完金相组织后的金相试样测量布什硬度，纪录测试结果。 8、金相组织观察
从拉伸试样中截取20mm左右作为晶相试块，然后经砂轮机磨平，然后用金相砂纸磨光、再在抛光机上抛光。根据具体材料选择腐蚀剂和腐蚀时间。选择合适放大倍的数显微镜进行金相组织观察，画出典型组织状态图。
五、 注意事项
在铸造合金的熔炼与浇注过程中，熔炼与浇注由试验老师操作。同学不要拥挤、集中精力观察，防止高温液体烫伤。
六、实验报告
根据实验结果（宏观、金相、力学），分析铸钢、铸铁（普通灰铸铁、孕育灰铸铁）的性能与成分、组织、冷却速度的关系。
实验二 铝-硅合金变质处理及金相组织观察
一、实验目的
1、熟悉金属材料凝固加工制备工艺及通过凝固过程控制金属凝固组织与性能的基本原理与基本方法，认识降固理论及凝固技术在金属材料制备过程中的重要作用；
2、通过亚共晶、共晶、过共晶三种成分铝硅合金在普通砂型铸造、金属型铸造等凝固加工条件下凝固过程与凝固组织的实验研究，深刻认识合金化学成分、凝固条件及熔体变质处理等对合金组织与性能的影响：
3、初步掌握材料科学与工程的基本研究方法，培养学生的动手能力及独立分析问题与解决问题的能力。
二、实验原理
绝大多数金属材料的制备加工都要经历凝固过程，控制材料凝固过程(熔炼及熔体处理、浇注、凝固冷却及成型条件等)是控制材料组织、提高和挖掘材料性能潜力及研究开发新材料的重要途径之一，材料凝固理论与凝固加工制备新技术研究是当今材料科学与工程前沿热点研究领域之一。
通过自觉地控制合金的凝固条件(如凝固冷却速度、凝固冷却散热的方向性、孕育处理、变质处理、浇注及凝固过程液态金属的运动状态等)及合理地设计选择合金的化学成分(如合金凝固温度范围、溶质元素再分配及凝固偏析特性等)，可以有效的控制金属材料的凝固组织(如晶粒尺寸及树枝晶间距、晶体生长形态、凝固偏析及化学成分均匀性、疏松及缩孔等)、力学及物理化学性能(如室温及高温强度、塑性、韧性、耐蚀性、抗氧化性能等)及工艺性能(如：铸造工艺性能及热处理工艺性能、锻造工艺性能、焊接工艺性能、机械加工性能等后续二次加工工艺性能)。
采取提高合金凝固冷却速度(提高合金熔体凝固过冷度ΔT)、在浇注时进行孕育处理(直接加入和通过熔体反应形成外加晶核)、加强浇注及凝固过程中液态金属的流动(如：加压浇注增加浇注金属液流速度、超声波及电磁搅拌、机械搅拌、机械振动等)等措施，可以显著提高金属凝固形核率，进而显著细化晶粒及凝固组织(晶粒尺寸、枝晶间距、共晶团尺寸及层片间距、显微疏松数量及尺寸等)，显著减轻凝固偏析和提高凝固组织的化学成分均匀性，最终显著改善合金的使用性能(力学性能、化学性能等)及后续二次加工艺性能。
通过控制合金凝固冷却散热的方向性及温度梯度，可以控制合金凝固过程中晶体的生长取向，获得具有不同晶体取向特征及特殊性能的凝固组织(如定向生长柱状晶、单晶及定向共晶；无择优取向的等轴晶等)；通过对合金熔体变质处理与微合金化，可以改变某些晶体的液一固界面结构、生长特性及生长形态(如：Al-Si合金变质处理后共晶硅针片状转变为圆滑的点状或棒状；球墨铸铁经球化处理后石墨由片状转变为球转等)，从而显著改变合金的凝固组织与性能；而晶体生长形态，即界面的宏观形态则取决于界面前沿温度的分布(正的温度梯度与负的温度梯度)。
本实验以在工业中大量应用的Al-Si铸造合金为实验研究对象，选择亚共晶(Al-6％Si)、共晶(Al-12％Si)、过共晶(Al-20％Si)等三种典型成分Al-Si铸造合金为实验对象，通过合金熔体变质处理、改变合金铸造凝固冷却条件(冷却速度缓慢、温度梯度很低的普通湿砂型铸造条件；冷却速度较快、温度梯度较高的金属型铸造条件等)等措施控制凝固组织，分析合金的凝固组织并测试评价其相关力学性能(硬度、拉伸性能、冲击韧性等)，深刻认识凝固条件、熔体。
三 实验设备和材料
15kW电阻合金熔炼炉，金属型铸造模具及铸造条件、普通湿砂型铸造条件等。亚共晶(Al-6％Si)、共晶(Al-12％Si)、过共晶(Al-20％Si)等三种典型成分Al-Si铸造合金。
四、实验内容与步骤
(1) 学生在进入实验室之前，必须首先自己查阅资料，熟悉有关合金相图、金属凝固理论及凝固技术的基本知识，熟悉Al-Si铸造合金及其铸造工艺的基本知识(Al-Si合金成分、凝固组织、性能特点、应用、变质处理及机理等)。
(2) 熟悉材料组织分析基本方法及硬度、冲击韧性、拉伸性能的实验方法。 (3) 学生自己组合3～5人为一组，按要求选择实验内容并自主独立完成实验内容及实验报告。
(4) 凝固冷却条件(①普通砂型铸造条件，凝固冷却速度很低；②金属型铸造条件，凝固冷却速度较高)对亚共晶(Al-6％Si)或共晶(Al-12％Si)铝硅合金的凝固组织与性能的影响。
金属型准备及砂型造型(拉伸试样或冲击试样)、合金熔炼及熔体变质处理、试样浇注、组织分析(凝固组织的粗细、初生树枝晶及共晶相对量等)、性
能测试(硬度、冲击韧性或拉伸性能)。
(5) 熔体变质处理对亚共晶(A1-6％Si)或共晶(Al-12％Si)对铝硅合金的凝固组织与性能的影响(浇铸冲击试样或拉伸试样)。
金属型准备及砂型造型(拉伸试样或冲击试样)、合金熔炼及熔体变质处理、试样浇注、组织分析(凝固组织的粗细、初生树枝晶及共晶相对量等)、性能测试(硬度、冲击韧性或拉伸性能)。
(6) 合金成分（ (Al-6％Si) 亚共晶、 (Al-12％Si) 共晶及 (Al-20％Si) 过共晶）对铝硅合金的凝固组织与性能的影响。
金属型准备及砂型造型(拉伸试样或冲击试样)、合金熔炼及熔体变质处理、试样浇注、组织分析(凝固组织的粗细、初生树枝晶及共晶相对量等)、性能测试(硬度、冲击韧性或拉伸性能)。
五、注意事项
在铸造合金的熔炼与浇注过程中，熔炼与浇注由试验老师操作。同学不要拥挤、集中精力观察，防止高温液体烫伤。
六、实验报告
根据实验结果，分析合金成分、凝固条件与凝固组织及性能之间的关系。
七、思考题
1、共晶合金变质处理的目的是什么？如何判断共晶合金的变质效果？共晶铝-硅合金常用变质剂有哪些？
2、 过共晶合金变质处理的目的是什么？如何判断过共晶合金的变质效果？过共晶铝-硅合金常用变质剂有哪些？
3、 铝合金熔炼过程中的注意事项是什么？
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