铸件凝固动态曲线测定.doc

实验一 铸件凝固动态曲线测定
1.实验目的
合金液相线到固相线之间的温度间隔谓之结晶间隔，凝固过程中逐渐液相线等温面和固相线等温面之间的区域谓之凝固区域，反映凝固区域由表及里推移的最直观方法是凝固动态曲线，凝固区域是液固并存区。它的宽、窄、结构，向铸件中推进的速度以及最终推进到铸件中心的时间，对铸件的质量，如缩孔、缩松热裂，偏析等的形成都有影响。因此它是研究铸件凝固问题重要领域之一。本实验的目的在于学会测定铸件凝固动态曲线，对凝固区域结构建立起直观认识，验证铸件凝固的平方根定律。

2.实验原理
如下图所示，由一维铸件表面至中心安放六根热电偶测得相应的六条冷却曲线，如图（a）所示，再以时间为横坐标轴，以铸件表面至中心的六根热电偶的安装位置，即以铸件表面至中心之距离为纵坐标轴，如图（a）每根冷却曲线与液相线和固相线的交点分别向下引出垂线，与各热电偶的位置线相交，得到的相应交点，把交点连接起来就构成了凝固动态曲线，所得之图即为凝固动态图如图（c）所示。

图（c）左边曲线同液相线相对应（如有过冷，则与一个略低的等温线相对应）。它表示不同时间铸件断面中凝固开始的部位，故谓之“凝固始液”。它实质上表示了铸件断面中液相线等温面从铸件表面向中心推进，在不同时间所处之部位，该曲线之斜率就表示液相线等温面向中心推进至速度。
图（c）右边曲线同固相线相对应，它表示不同时间铸件断面中凝固结束的部位，故谓之“凝固终夜”。它实质上表示了铸件断面中固相线等温面在不同时间时所处之部位，它的斜率就表示了固相线等温面向铸件中心推进的速度。 
在凝固动态图（c）上可以看出具有结晶间隔的合金在每个时间，从铸件表面至中心参在固相区（铸件表面至凝固终液），凝固区（凝固终波至凝固始波之垂直距离）和液相区三个区域。在图上可以看出铸件凝固过程即是凝固区域不断推向铸件中心液相区随之不断缩小以至于消失之过程。凝固终波到达铸件中心就表示铸件凝固过程已经结束。
所以动态曲线测定原理实际上就是把具有温度-时间坐标的多根冷却曲线转变成具有距离-时间坐标的凝固动态曲线图。无论多么复杂的合金只要能在冷却线上找出合金在凝固过程中析出新相和析出终了的拐点，就能在凝固动态图上画出析出新相的始波和新相析出终了之终波。
将某液态金属在同一浇注温度下同时注入几个同样的铸型，经过不同时间间隔，分别使铸型中尚未凝固的残余液体流失，获得固态金属硬壳。这种铸件凝固的研究方法谓之残余液体流失法或倾出法。所得到的硬壳内表面叫倾出边界，所得到的硬壳厚度即为倾出边界向铸件中心推进之距离。此距离应符合平方根定律。在凝固动态图上不同时间内所得到的硬壳厚度的点并且再连接成线，就可以得到倾出边界动态曲线。
在凝固动态图上，倾出边界愈靠近凝固始波则说明愈易达成牢固的晶粒骨架，这种情况表示铸件凝固时，晶粒骨架中可能存在较多的、被晶架分隔成许多个孤立小熔池的残余金属波，并且亦表示铸件在凝固时期可能较早地产生线收缩。因此具有这种特点的合金就容易产生晶间缩松和热裂。
3.实验内容
测定纯铝（Al）和ZL102（铝铜合金4.0~5.0%重量比），一维铸件的凝固动态曲线。
纯铝：熔点600℃ ，比重：2.7g/㎝3。
ZL102：液相线温度649℃，固相线温度540℃。
4.实验用设备，仪器及材料
SG—5—12电阻坩埚炉二台，热电偶和XWC—100温度自动记录仪，砂箱、木模、造型工具、闹钟、秒表、外卡钳。纯铝纯铜，20％NaOH水溶液，20％HNO3水溶液。
5.实验步骤
⑴ 用木模、砂箱造型6至10个。
⑵ 将6只热电偶保护套管紧固在专用夹具上。
⑶ 将专用夹具按一定位置放在两个铸型上，套管中插入热电偶，按一定次序将热电偶接在XWC—300温度自动记录仪上，待浇。
⑷ 将纯铝和ZL102分别在坩埚炉中熔化、过热至760℃左右进行脱气处理，于750±5℃尽快浇入铸型。每种合金各浇一个有热电偶铸型和2至4个不带热电偶的铸型。同时按动秒表记录时间，打开XWC—300自动记录。
⑸ 对未有热电偶的铸型，用棒接触金属溶液，当已凝固成一定厚度的金属壳时就可以拔下耐火塞，让残余金属流失，记下从开始浇注到流失的凝固时间t1。第二个和第三个铸型可稍长于t1，按相同的操作让金属液流失。
⑹ 当有热电偶铸型温度降到500℃时，测定结束，从温度记录仪上取下记录纸，按实验原理，绘出凝固动态曲线。
⑺ 从流失铝液后所得到的各金属壳高度中部（1/2H处）取三点，用外卡钳及钢尺测量金属壳厚度，取其平均值作为金属壳厚度即在相应时间内倾出边界向中心推进之距离，把此距离填在下表。

合金

种类
浇注
温度
℃
铸型
温度
℃
从浇注到拔塞时间（秒）
金属壳厚度（毫米）
金属
表面
情况
第1点 第2点 第3点 平均值

⑻ 观察流液后所得到的金属表面情况，分析倾出边界表面的特点。
 ⑼ 在金属壳中部取样磨光，20％NaOH的水溶液中腐蚀20％HNO3水溶液，观察宏观组织形状。

实验二 合金熔炼及结晶凝固实验

一、实验目的
1、掌握合金熔炼基础知识；
2、观察铝的凝固过程。
3、分析不同工艺对金属铸锭组织的影响。
二、实验原理概述
金属或合金由液态转变为固态晶体的过程称为结晶。晶体在结晶时遵循形核与长大的规律，在实际结晶条件下，由于存在外来杂质以及容器模壁等的影响，形核一般都以非均匀形核的方式进行。晶核形成后通常按树枝状方式长大形成树枝晶。 典型的铸锭组织可分为三个区域：靠近模壁处为细等轴晶区；细等轴晶区向铸锭中心生长得到柱状晶区；铸锭中心为较粗大的等轴晶区。铸锭的表层为细等轴晶粒区，晶粒细小，组织致密，成分均匀。当液态金属到入铸模以后，结晶首先从靠近模壁处开始。模壁温度低，在该处因过冷度极大，晶核产生多，这些核心长大时很快接触，形成细小的等轴晶粒，称为细等轴区。
紧接表层的是柱状晶区，由垂直于模壁的彼此平行的柱状晶粒组成，组织致密。这是因为，在细等轴区形成的同时，模壁温度已升高，过冷度减小，与液体接触的小枝晶要长大，但在长大过程中很快地与上下左右的枝晶相撞，长大受到了限制。这时只有晶轴与模壁垂直的小枝晶向液体内伸展不受阻碍，而这时散热有了方向性，垂直模壁的方向散热最快，这样，这部分晶粒一致向液体内伸展，结果就形成了与模壁垂直的粗大柱状晶体，称为柱状晶区。如果模壁的散热较快，已结晶的金属的导热性较好，液态金属始终能保持较大的内外温度梯度和方向性散热，柱状晶能一直长大到铸锭中心，形成所谓穿晶组织。
一般情况下随着柱状晶的发展，模壁温度继续上升，方向性散热条件逐渐消失，剩余液体的温差越来越小，趋于均匀缓冷状态，柱状晶长大的趋势也渐趋减小。这时仍为液体的中心区域的温度也逐渐降低，并趋于均匀，加上杂质的作用会在这部分液体中同时形核。因为该区过冷度小，核心产生得少，且因散热无方向性，各方向的成长速度相同，于是在铸锭内部形成许多位向不同的粗大的等轴晶粒，形成晶粒粗大的等轴晶区，组织疏松。

金属铸锭的结构
铸锭的这三个晶区是的不同的条件下形成的，若改变液体金属的冷却条件（如模壁材料，模壁温度，模壁厚度）和浇注温度以及变质处理等凝固条件，则将改变三个晶区，特别是柱状晶区和等轴晶区的相对面积以及各自的晶粒大小。
冷却速度越快或铸模内外温差越大，则均有利于柱状晶的发展。例如改变模壁材料，就改变了金属的冷却条件。金属模可以比砂模获得更大的柱状晶区。如果将模子预热，其实质是降低了冷却速度。预热温度越高等轴晶区越大。
浇注温度愈高，浇注后沿铸锭截面的温差也越大，方向性散热时间越长，有利于柱状晶发展。同时液态金属过热程度愈大，非自发晶核的数目就愈少，这也减少了液体中成核的可能性，因此也促进了柱状晶的发展。
通过加入一定的变质剂进行变质处理，增加结晶时的核心，可得到细小的晶粒。不同纯度的金属，由于其非自发核心数目的不同，结晶后的晶粒粗细也不同。
从铸锭组织结构看到，纯金属只在铸锭的表面、缩孔处，可以清楚地看到枝晶组织，而在铸锭内只能看到外形不规矩的晶粒。在铸态合金的组织中，由于晶内偏析或结晶顺序不同，合金内部可以用显微镜看到枝晶组织（即枝晶偏析）。
从性能角度出发，外层细等轴晶区很薄，对铸锭机械性能影响不大。柱状晶粒由于彼此互相纺碍，树枝的分枝较少，结晶后显微缩孔少，组织致密。但是柱状晶方向一致，使铸件的性能有方向性，且从相临模壁长出的柱状晶粒的交界面处容易聚集杂质而形成弱面，压力加工时易沿脆弱面开裂。粗大等轴晶长大时彼此交叉，不存在脆弱面，但树枝状晶体发达，分枝较多，因而显微缩孔多，结晶后组织不致密，铸锭热压力加工时显微缩孔一般可焊合。
三、实验设备及材料
1、加热炉，坩埚，热电偶温度计，钢模，砂模，手钳，锯，锉，粗砂纸，纯铝，细化剂。
四、实验方法
1、浇铸铝锭，分析凝固条件对纯铝铸锭组织的影响
（1）将工业纯铝块放进坩埚，在加热炉中熔化后取出浇铸，浇铸凝固条件列于表1中。
表1实验用纯铝锭的浇铸凝固条件
试样编号
1
2
3
浇铸温度℃
室温
室温
500
铸模材料
铁模
冷砂模
热砂模

（2）铸锭凝固后水冷，用手锯锯开。
（3）用锉刀将剖面打平，用粗砂纸磨平后用王水腐蚀大约3~5min，将晶粒显示出来后置于流动水下冲洗并吹干。
（4）观察各种浇铸条件下的铝铸锭剖面不同区域的组织特征，画出宏观组织示意图。
五、实验报告及要求
（1）实验目的。
（2）画出一种凝固条件下铸锭组织的示意图，说明浇铸条件。
（3）对比不同浇铸条件下得到的铸锭组织，说明浇铸条件所带来的影响。
⒊　如果进行实际浇注，需要强调的实验注意事项：
①　浇注时注意安全，防止烫伤。熔化金属的坩埚内浮有溶渣时，倾注时须用铁板挡住；液体金属注入模子时须连续，不能断续或停歇。
②　侵蚀时，注意防止酸溅到身上。
⒉　比较它们的柱状晶区和粗等轴晶区的相对面积和晶粒的大小；分析原因，说明模壁材料、模子预热温度、浇注温度、对铸锭组织的影响。

实验三 铸件成型工艺实验
一、实验目的和要求
1．了解铸造工艺的基本过程。
2．通过具体的熔炼浇注工艺，了解基本概念，工艺特点，以用在日常生活中的具体应用。
3．了解一种金属材料（A356铝合金）的熔炼基本工序。
二、实验原理
铸造过程是指将金属置于熔炼炉内的坩埚中，加热熔炼成符合一定要求的液体并浇铸到锭模或铸模中，经冷却凝固，液态金属转变成固态金属，清整处理后获得一定形状、尺寸的铸件或铸件的工艺过程。
铸造工艺可分为三个基本部分，即铸造金属准备、铸型准备和铸件处理。铸造种类很多，按造型方法习惯上分为：①普通砂型铸造，②特种铸造。
根据熔制合金的实际重量W，计算各元素的需要量A

三、仪器设备
实验所用设备包括：加热熔炼炉，熔炼用金属、坩埚、熔炼工具，模具
四、实验内容及实验数据记录
（一）．了解铸造的基本设备并熟悉其基本操作
1．压块机：用以将铸造用物料压块的设备。物料压块后便于储运及减少回收再利用过程中运输、冶炼的损耗。
2．混砂机：用于混制型砂或芯砂的铸造设备。混砂机一般具有下列功能：将旧砂、新砂、型砂黏结剂和辅料混合均匀。
3．落砂机：利用振动和冲击使铸型中的型砂和铸件分离的铸造设备。落砂机的振动源分为机械、电磁和气动。
4．抛丸机：利用抛丸器抛出的高速弹丸清理或强化铸件表面的铸造设备。抛丸机能同时对铸件进行落砂、除芯和清理。
5．造芯机：用于制造型芯的铸造设备。根据制芯时实砂方法的不同，造芯机可分为震击式制芯机、挤芯机和射芯机等。
6．造型机：用于制造砂型的铸造设备。它的主要功能是：填砂、将松散的型砂填入砂箱中，紧实型砂。
7．浇注机：为将液态金属引入铸型型腔而在铸型内开设的信道。包括：浇口杯，直浇道，横浇道，内浇道。
（二）．配料
熔炼A356铝合金20Kg，A356化学成分：Si6.5～7.5%；Mg0.20～0.40%；铝为余量，计算各元素Al，Mg，Si的需要量。
解：镁的需要量为20*0.40%=0.08Kg
硅的需要量为20*7.5%=1.5Kg
铝的需要量为20-0.08-1.5=18.42Kg
（三）．了解合金的熔炼过程
答：首先预热铝锭，升温至800摄氏度至铝锭完全熔化；然后加入硅，保温半小时；至Si完全熔化后，降温至740℃时，加入Cu粉并保温约15min至完全熔化；再降温至730℃时加入Mn，700℃时加入Mg，均保温约15min；升温至730℃时，精炼除气，即在合金溶液中加入1%的六氯乙烷；由于精炼除气后会有一定量的杂质存在，故除气完成后的需拔渣，拔渣要求平稳，防止渣卷入熔体内，扒渣要彻底，因浮渣的存在会增加熔体的含气量，并弄脏金属。拨渣结束后需要对合金进行细化和变质处理，将溶液升温到740℃，加入Al-Ti-B细化剂，保温约15分钟使完全熔化；然后升温至750℃，加入变质剂Al-Sr，亦保温约15 min使其完全熔到合金中，从而达到细化和变质的目的。
五、思考题
1．液态成型定义，分类？
2．铸件中常见的缺陷有哪些？