金屬實(shí)驗(yàn)報(bào)告

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)會綜合應(yīng)用己學(xué)的相關(guān)課程知識，解決實(shí)際問題。達(dá)到理論知識的復(fù)習(xí)、鞏固、驗(yàn)證與應(yīng)用及動手能力的培養(yǎng)和工程經(jīng)驗(yàn)的積累的目的。本實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)考察材料專業(yè)本科學(xué)生對專業(yè)知識、專業(yè)技能的掌握和運(yùn)用，通過ZL109的熔煉、熱處理工藝，以及熱處理之后對材料性能、組織成分的檢測等材料制備整個流程的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程操作、對實(shí)驗(yàn)制備得到的試樣進(jìn)行性能檢測和成分分析。二、實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備ZL109鋁錠鋁塊、變質(zhì)劑、精煉劑、鑄模、坩蝸、箱式爐、井式爐、烘干器、水浴箱、五金配套工具、拉伸試驗(yàn)機(jī)、硬度儀、金相顯微鏡、吹風(fēng)機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、計(jì)算機(jī)、金相砂紙、氫氟酸等。三、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)3.1熔煉鑄造準(zhǔn)備合金代號：ZL109合金牌號：ZAlSi12Cu1Mg1Ni1表3.1ZL109化學(xué)成分及允許雜質(zhì)含量Si CuMgNiFeZnAl11.0-13.0% 0.5-1.5% 0.8-1.3% 0.8-1.5% <0.7% <0.2% 其余鋁Al：余量注：雜質(zhì)總和（金屬型鑄造）<1.23.2制定工藝卡片圖3.2Al-Si合金相圖根據(jù)合金相圖來制定金屬熔煉、澆鑄、鑄造及熱處理工藝卡片(見附錄)3.3性能測試樣加工圖：實(shí)驗(yàn)基本流程：金屬熔煉一澆注成型一熱處理一組織成分、力學(xué)性能檢測四、實(shí)驗(yàn)步驟4.1鑄造鋁合金的鑄錠成型方法4.1.1鑄造鋁合金熔煉方法技術(shù)要點(diǎn)：純鋁在坩蝸內(nèi)熔化后，鋁液溫度達(dá)到690°C-720°C時(shí)加入純硅，當(dāng)鋁硅液溫度達(dá)到700C-730C(由于熔點(diǎn)相差很大，溶解的很慢，需要較大的過熱才能完全溶解)加入10Kg的NaNO、13Kg的BaCl、10Kg的NaF、13Kg的NaAlF、21Kg的KTiF、6Kg的KBF、13Kg的NaCl、10Kg的C粉配制成的精煉變質(zhì)細(xì)化劑，用侵鹽勺壓入鋁液面下，距坩蝸底100-150mm。該鑄造合金熔煉方法可達(dá)到精煉、變質(zhì)、細(xì)化一步完成，操作時(shí)間縮短，減少合金熔煉增鐵，提高鋁合金質(zhì)量，并能減少對環(huán)境的污染。本次實(shí)驗(yàn)在實(shí)際操作過程中，考慮到實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、金屬原料循環(huán)利用等因素，往屆學(xué)生修習(xí)本課程時(shí)已經(jīng)制備好的ZL109鋁錠鋁塊重新回爐熔煉。4.1.2鑄造鋁合金熔煉方法步驟：將適于熔煉鋁硅合金的熔煉爐清理干凈，預(yù)熱至200-300C，噴刷涂料；準(zhǔn)備熔煉操作用各種工具，清理干凈，預(yù)熱至200-300C，噴刷涂料，并烘烤去除水份；將預(yù)先配制好的精煉變質(zhì)細(xì)化劑按處理鋁硅液量的需要稱量好，放入烘干箱，在200-300C下烘烤數(shù)分鐘，備用；裝爐熔化：先將回爐料裝入熔煉爐，再按設(shè)定鋁硅配比加入純鋁和純硅；熔化后攪拌均勻，再加入所需中間合金，待化清后攪拌均勻；精煉、變質(zhì)、細(xì)化綜合處理，并按需要調(diào)整好鋁液的化學(xué)成份；調(diào)溫至已知工藝要求溫度時(shí)，出爐澆注，其特征在于：所述的裝爐熔化步驟中，當(dāng)鋁熔化后，鋁液溫度達(dá)到690-720C時(shí)加入純硅；所述的精煉、變質(zhì)、細(xì)化綜合處理，是當(dāng)鋁液溫度達(dá)到700-730C時(shí)進(jìn)行精煉、變質(zhì)、細(xì)化綜合處理，打凈爐中鋁液表面的浮渣，加入烘烤好的精煉變質(zhì)細(xì)化劑，將其撒在鋁液表面，用侵鹽勺壓入，使其與坩蝸底部保持100-150mm距離，來回上下運(yùn)動，直到液面不再冒泡，處理時(shí)間為15-25分鐘，精煉變質(zhì)細(xì)化劑加入量按重量百分比計(jì)為鋁硅液的1.8-2.8%。4.1.3注意事項(xiàng)：熔煉時(shí)，熔劑需均勻撒入，待純鋁全部熔化后再加入中間合金和其他金屬，并壓入鋁液內(nèi)，不準(zhǔn)露出液面。爐料熔化過程中，不得攪拌金屬。爐料全部融化后可以充分?jǐn)嚢?，使成分均勻。鋁合金熔體溫度控制在720°C-760°C。爐料全部熔化后，在熔煉溫度范圍內(nèi)扒渣，扒渣盡量徹底干凈，少帶金屬。鎂的加入在出爐前或精煉前，以確保合金成分。熔劑要保持干燥，鐘罩要事先預(yù)熱，然后放入熔體內(nèi)，緩慢移動，進(jìn)行精煉。精煉時(shí)要保證一定的時(shí)間，徹底除氣除渣。精煉后要撒熔劑覆蓋劑，然后靜置一定時(shí)間。扒渣，出爐澆鑄。澆鑄時(shí)流速要平穩(wěn)，不要斷流，注意補(bǔ)縮。4.2鋁合金鑄坯成型鑄坯成型是將金屬也鑄成形狀、尺寸、、成份和質(zhì)量復(fù)合要求的錠坯。一般而言，鑄錠應(yīng)滿足下列要求：鑄錠形狀和尺寸必須符合壓力加工的要求，以避免增加工藝廢品和邊角廢料；坯料內(nèi)外不應(yīng)該有其空、縮孔、夾雜、裂紋及明顯偏析等缺陷，表面光滑平整；坯錠的化學(xué)成份符合要求，結(jié)晶組織基本均勻。實(shí)驗(yàn)中，將熔化完全的鋁液澆注鑄坯、冷卻、開型等步驟后得到坯錠。4.3制作板材拉伸試樣和立方塊狀試樣。將鑄造坯錠采用線切割的方式切割為板材狀拉伸試樣8個。根據(jù)GB6397-1986的標(biāo)準(zhǔn)制作板材狀拉伸試樣，試樣的結(jié)構(gòu)尺寸圖如下：圖4.1板材拉伸試樣注：上圖所示板材狀拉伸試樣厚度a=3mm,寬度b=15mm,標(biāo)距l(xiāng)=40mm。0 0 04.4鑄造鋁合金的熱處理4.4.1鋁合金熱處理的目的鑄造鋁合金在鑄態(tài)下的機(jī)械性能往往不能滿足使用要求，通過熱處理的辦法可進(jìn)一步提高鑄件的機(jī)械性能和使用性能。熱處理的目的大致有以下幾個方面：（1） 充分提高鑄件的機(jī)械性能，保證一定的塑性，提高合金抗拉強(qiáng)度和硬度，改善合金的切削加工性能等；（2） 消除由于鑄件壁厚不均勻、快速冷卻等所造成的內(nèi)應(yīng)力；（3） 穩(wěn)定鑄件的尺寸和組織，防止和消除因高溫引起相變產(chǎn)生體積脹大現(xiàn)象；（4） 消除偏析和針狀組織，改善合金的組織和機(jī)械性能。4.4.2鋁合金的熱處理原理AtFb圖4.2Al-Si二元合金相圖由Al-Si二元合金相圖可知，A1和Si不能形成中間相，鋁硅合金可視為主要Al基體和Si相組成。在共晶合金中共晶Si相為粗大針狀形態(tài)；在過共晶合金中初生Si相呈粗大的多邊形和板條狀分布，兩者都嚴(yán)重割裂基體，導(dǎo)致塑性下降，這是導(dǎo)致Al-Si系合金塑性差的根本原因。為了使鑄造鋁合金具有良好的機(jī)械性能，需要對鋁合金進(jìn)行強(qiáng)化熱處理，從而加強(qiáng)材料的力學(xué)性能和使用性能。鋁合金強(qiáng)化熱處理主要是通過淬火或淬火加人工時(shí)效來實(shí)現(xiàn)的。從鋁和其它元素的二元相圖上可知：凡是合金組元或金屬間化合物在a固溶體內(nèi)的溶解度隨溫度的下降而減小，從而析出第二相的合金，理論上都可以進(jìn)行淬火（固溶強(qiáng)化處理）。溶解度的變化愈大則固溶強(qiáng)化的效果愈顯著。其實(shí)質(zhì)是將工件加熱到盡可能高的溫度，在該溫度下，保持足夠長的時(shí)間使強(qiáng)化相充分溶入。固溶體，隨后快速冷卻，使高溫時(shí)的固溶體，呈過飽和狀態(tài)保留到室溫，從而使固溶體獲得強(qiáng)化。固溶化處理的保溫溫度取決于合金的成分和相圖。溫度愈高，愈接近共晶轉(zhuǎn)變溫度或固相線溫度淬火的效果愈好，但為了防止合金“過燒”（晶界上低熔點(diǎn)共晶體熔化或固溶體的晶粒粗大），一般應(yīng)比上述溫度低10~15°C。固溶化處理的保溫時(shí)間，取決于強(qiáng)化相溶入^固溶體中所需的時(shí)間，若鑄件中強(qiáng)化相比較粗大，則保溫時(shí)間要長一些。如砂型、厚壁鑄件相應(yīng)地要比金屬型、薄壁鑄件保溫時(shí)間長一些；強(qiáng)化相的擴(kuò)散速度大，則保溫時(shí)間可以相應(yīng)縮短。4.4.3鋁合金的熱處理方法選取6個板材狀拉伸試樣進(jìn)行淬火處理。處理方法為將試樣置于箱式爐中在520C的溫度時(shí)固溶處理6個小時(shí)，固溶處理后將試樣置于70C的溫水中進(jìn)行淬火處理。確定淬火加熱溫度的原則是：在保證不過燒、晶粒不長大的前提下，盡量選用較高的加熱溫度，以使強(qiáng)化相充分固溶，以便在隨后的時(shí)效過程中，得到最大的強(qiáng)化效果，同時(shí)對提高耐蝕性有幫助。鑄造鋁合金的加熱溫度接近于熔點(diǎn)，控溫的精確度很重要，稍有不慎便會發(fā)生過燒報(bào)廢的情況。為了減少應(yīng)力、畸變和試樣淬火開裂，鋁合金冷卻時(shí)應(yīng)該采用60?100C的水。選取3個板材狀拉伸試樣進(jìn)行時(shí)效處理。處理方法為將試樣置于200C的烘干箱中進(jìn)行時(shí)效處理10個小時(shí)。查閱文獻(xiàn)得知，根據(jù)工件條件，選用合適的時(shí)效溫度一般在200C左右，時(shí)效時(shí)間一般不少于3小時(shí)。本實(shí)驗(yàn)選用200C的時(shí)效溫度時(shí)效10個小時(shí)。4.5試樣清單本實(shí)驗(yàn)得到試樣清單如下：鑄態(tài)板材狀金屬拉伸試樣3個，淬火態(tài)板材狀金屬拉伸試樣2個，淬火時(shí)效態(tài)板材狀金屬拉伸試樣2個。五、試樣力學(xué)性能和組織成分檢測5.1力學(xué)性能檢測對實(shí)驗(yàn)過程中各階段制備得到的鑄態(tài)、淬火態(tài)、淬火時(shí)效態(tài)等3種狀態(tài)的試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測，檢測得到的力學(xué)性能參數(shù)如下表所示：表5.1力學(xué)性能參數(shù)試樣狀態(tài)序號最大拉力值（KN）抗拉強(qiáng)度（Mpa）拉斷后試樣長度（mm）延伸率（%）硬度（HRF）平均硬度（HRF）13.648136.540.8269，70，6166.7鑄態(tài)22.205143.341.2363，69，7669.334.424139.641.4367，73，6568.3平均3.426139.841.12.6/68.119.012205.441.2374,72.5,79.675.4固溶29.238208.241.43.583，90.5，8887.2平均9.125206.841.33.25/81.3固溶+時(shí)效112.77628541.43.598，99，10299.7211.92927041.33.3100，99.5,9999.5平均12.353277.541.353.4/99.6注：試樣標(biāo)距：：10mm；拉伸速度：2m/min；由以上表格的數(shù)據(jù)可知，拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，固溶態(tài)試樣的平均最大拉力值、平均抗拉強(qiáng)度以及平均硬度等多項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)的數(shù)值均比鑄態(tài)鋁試樣高，而固溶之后進(jìn)行時(shí)效的試樣，上述各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)均比固溶態(tài)試樣高。此結(jié)論說明經(jīng)過固溶和時(shí)效處理后的鑄鋁合金具有更好的強(qiáng)度和硬度，力學(xué)性能得到良好的改善。5.2試樣金相圖片5.2.1鑄態(tài)試樣鑄態(tài)試樣特點(diǎn)：鑄態(tài)缺陷比較多，組織中呈現(xiàn)粗大條塊狀的Si相嚴(yán)重割裂基體，導(dǎo)致鑄態(tài)ZL109的強(qiáng)度、塑性均很低。如下圖所示：圖5.1鑄態(tài)ZL109金相照片（10X）圖5.2鑄態(tài)ZL109金相照片（40X）上圖的左上區(qū)域有個黑色孔洞，實(shí)際為磨制金相時(shí)試樣表面有些凹坑在砂紙打磨和拋光機(jī)拋光階段時(shí)沒有除去，在顯微鏡觀察下便呈現(xiàn)出黑色孔洞形貌。5.2.2固溶后試樣固溶后試樣特點(diǎn)：淬火態(tài)試樣金相照片的特征是析出相不明顯，依然有一些條塊狀的Si相存在，晶粒有了一定程度的細(xì)化但和時(shí)效態(tài)相比還是略微粗大。如圖所示：圖5.3固溶后ZL109金相照片（10X）

圖5.4固溶后ZL109金相照片（40X）5.2.3固溶加時(shí)效后試樣固溶加時(shí)效后試樣特點(diǎn)：淬火時(shí)效態(tài)試樣金相照片的特點(diǎn)是析出相很明顯。針狀的固溶過飽和析出相均勻散布在基體中，對基體起到很好的強(qiáng)化作用。使組織中針狀、條狀的共晶Si相改變?yōu)椴灰?guī)則的條狀，從根本上消除了Si相對基體的割裂作用，同時(shí)細(xì)化晶粒，使合金的綜合機(jī)械性能大幅度提高。如圖所示：圖5.5固溶加時(shí)效后ZL109金相照片（10X）圖5.6固溶加時(shí)效后ZL109金相照片（40X）六、總結(jié)與展望這次實(shí)驗(yàn)是我們大學(xué)期間首次參與的比較系統(tǒng)全面的實(shí)驗(yàn)，它不僅考察了我們的動手能力，并且檢驗(yàn)了我們隊(duì)所學(xué)知識靈活運(yùn)用的能力，此外也鍛煉了我們在課外搜集各種有用資料的能力?？傊@次設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)讓我們學(xué)到了很多東西，提高了每個同學(xué)的綜合素質(zhì)，指導(dǎo)性的讓我們學(xué)生從書本慢慢的走向?qū)嵺`操作，從而更好地完善專業(yè)知識。此外，這次實(shí)驗(yàn)也鍛煉了我們的團(tuán)隊(duì)能力和實(shí)驗(yàn)過程中任務(wù)的良好分配，從實(shí)驗(yàn)剛開始的設(shè)計(jì)到中間實(shí)驗(yàn)操作以及到加熱爐的看護(hù)能夠做到有條不紊。這次實(shí)驗(yàn)雖然比較簡單，但讓我們初步了掌握了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一個過程，我想這能夠?yàn)槲覀兿聦W(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)起到良好的鋪墊。參考文獻(xiàn)李玳昆明理工大學(xué)碩士論文《ZL109噴射沉積——熱擠壓工藝研究》吳一《ZL115合金的熱處理工藝探討》陸偉、李先年《鋁合金的熱處理工藝》趙步清 《鑄造鋁合金的熱處理》徐洲趙連城 《金屬固態(tài)相變原理》戴起勛 《金屬材料學(xué)》

能夠順利地完成這次實(shí)驗(yàn)，陳建康老師和王蕾老師的辛勤指導(dǎo)起到主要的作用，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工藝和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，老師給了我們實(shí)質(zhì)性的指導(dǎo)，這讓我們少走了很多彎路；另外也要感謝感謝蔡誠、劉揚(yáng)等同學(xué)熬夜看守?zé)崽幚頎t，這對實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行起到了相當(dāng)大的作用；最后還要感謝班級里每位同學(xué)對這次實(shí)驗(yàn)做得貢獻(xiàn)。附錄1.熔煉工藝規(guī)程卡材料ZL109(ZAlSi12Cu1Mg1Ni1)熔-煉爐牌號電阻坩蝸爐（ZL80-11）技術(shù)參數(shù)額定電壓：220V； 頻率：50Hz；額定功率：12Kw； 工作溫度：800C；坩蝸容鋁量：50kg；每爐熔鋁量40kg 每爐澆注零件個數(shù) 5爐料配制純金屬：22.291kg鋁錠（99.5%）+0.1403kg鎂錠（99.8%）；中間合金：0.4kgAl-Ti中間合金（5%Ti+其余Al）；回爐料：P=16kg（占爐料總量的40%）；成分（9.5%Si+0.25%Ti+其余Al）精煉劑10kgNaNO、13kgBaCl、10kgNaF、13kgNaAlF、21kgKTiF、6kgKBF、13kgNaCl、10kgC粉。坩蝸用涂料五號涂料（90%白堊粉+10%水玻璃+適量水）熔煉工藝流程：來料檢查f配料f冷爐預(yù)熱f裝爐f熔煉f扒渣f熔煉爐取樣化驗(yàn)f精煉f靜止?fàn)t取樣化驗(yàn)f精煉扒渣f靜置f鑄造f圓鑄錠檢驗(yàn)f切定尺棒f轉(zhuǎn)序鑄造鋁合金熔煉步驟：將熔煉爐清理干凈，預(yù)熱至200-300°C，噴刷涂料；準(zhǔn)備熔煉操作用各種工具，清理干凈，預(yù)熱至200-300C，噴刷涂料，并烘烤去除水份；將預(yù)先配制好的精煉變質(zhì)細(xì)化劑按處理鋁硅液量的需要稱量好，放入烘干箱，在200-300C下烘烤數(shù)分鐘，備用；

裝爐熔化：先將回爐料裝入熔煉爐，再按設(shè)定鋁硅配比加入純鋁和純硅；熔化后攪拌均勻，再加入所需中間合金，待化清后攪拌均勻；精煉、變質(zhì)、細(xì)化綜合處理，并按需要調(diào)整好鋁液的化學(xué)成份；調(diào)溫至已知工藝要求溫度時(shí)，出爐澆注，其特征在于：所述的裝爐熔化步驟中，當(dāng)鋁熔化后，鋁液溫度達(dá)到690-720°C時(shí)加入純硅；所述的精煉、變質(zhì)、細(xì)化綜合處理，是當(dāng)鋁液溫度達(dá)到700-730C時(shí)進(jìn)行精煉、變質(zhì)、細(xì)化綜合處理，打凈爐中鋁液表面的浮渣，加入烘烤好的精煉變質(zhì)細(xì)化劑，將其撒在鋁液表面，用侵鹽勺壓入，使其與坩蝸底部保持100-150mm距離，來回上下運(yùn)動，直到液面不再冒泡，處理時(shí)間為15-25分鐘，精煉變質(zhì)細(xì)化劑加入量按重量百分比計(jì)為鋁硅液的1.8-2.8%。注意事項(xiàng)：熔煉時(shí)，熔劑需均勻撒入，待純鋁全部熔化后再加入中間合金和其他金屬，并壓入鋁液內(nèi)，不準(zhǔn)露出液面。爐料熔化過程中，不得攪拌金屬。爐料全部融化后可以充分?jǐn)嚢瑁钩煞志鶆?。鋁合金熔體溫度控制在720C-760C。爐料全部熔化后，在熔煉溫度范圍內(nèi)扒渣，扒渣盡量徹底干凈，少帶金屬。鎂的加入在出爐前或精煉前，以確保合金成分。熔劑要保持干燥，鐘罩要事先預(yù)熱，然后放入熔體內(nèi)，緩慢移動，