合金熔炼原理复习答案

1、只考虑Si、P等元素对共晶点实际碳量影响的计算公式为CE=C+1/3（Si+P）；

9、球状石墨形成的两个必要条件：铁液凝固时必须有较大的过冷度；铁液与石墨间较大的表面张力。

10、球墨铸铁的球状石墨的长大包括两个过程：石墨球在熔体中直接析出并长大；形成奥氏体外壳，在奥氏体外壳包围下长大。

16、孕育处理：铸铁铁液在浇注前，在一定的温度和成分下，加入一定量的孕育剂如硅铁等，改变铁液的凝固过程，改善铸态组织，从而达到提高铸件性能为目的的处理方法，谓之孕育处理。

27、球墨铸铁的退火处理目的是除去铸态组织中的自由渗碳体及获得铁素体球墨铸铁；

28、球墨铸铁正火处理的目的在于增加金属基体中珠光体的含量和提高珠光体的分散度；

50、铸钢件断面典型的晶粒分布如图所示，包括三个区域：1—表面细晶区；2—柱状晶区；3—中间等轴晶区。

56、不锈钢中铬的主要作用

其作用包括：（1）在铸件表面形成致密的氧化膜；（2）提高铁素体的电极电位。

62、吹氩精炼：利用氩是惰性气体，既不溶于钢液中，又不合钢液中的元素反应，因此向钢包内的钢液中吹氩，氩气泡在缓慢上升过程中吸附非金属夹杂和溶解在钢液中的气体，达到净化作用；同时由于氩气泡内CO的分压力为0，因此[C]和[O]在氩气泡和钢液界面上发生反应形成CO进入氩气泡，从而达到脱氧的目的。

70、铝合金熔炼时三要素“防”“排”“溶”具体含义

“防”就是覆盖剂、变质剂烘焙除潮；工具烘干后喷刷涂料再烘干；炉料加入前除去水锈和油污，严防水气和各种含气脏物混入铝液中，产生Al2O3夹杂和H2等；

“排”是指通过精炼，清除氧化夹杂和气体，除杂是除气的基础；

)

“溶”是指通过快速凝固或加大凝固时的结晶压力，使铝液中的[H]全部溶于铝铸件中，不致形成气孔。

71、如何理解铝合金精炼时“除杂是除气的基础”

（1）铝液表面的氧化铝膜吸附大量的水气和H2；

（2）滤液中卷入Al2O3夹杂时，既增加了[H]，吸附H2的Al2O3又是温度下降时气泡形核的基底，容易在铸件中形成气孔。

72、名词解释

（1）ZL201：铸造铝铜合金ZAlCu5Mn，是重要的耐热高强度铸铝合金，成份Cu ~%，Mn %~%，Ti ~%，其余为Al。

（2）ZL104：铸造铝硅镁系合金ZAlSi9Mn，成分为 Si ~%，Mg %~%，Mn ~%，其余为Al，铸态组织由α+（α（Al）+β（Si））组成。

（3）T4 固溶处理将铸件加热至固相线附近，使强化相溶入α（Al）中，在淬入冷却介质中获得过饱和的α（Al）固溶体，提高铸件的强度和塑性的一种热处理工艺

（

（4）T6 是指固溶处理加上完全人工时效，固溶处理是指将铸件加热至固相线附近，使强化相溶入α（Al）中，在淬入冷却介质中获得过饱和的α（Al）固溶体，再将铸件加热至一定温度进行去应力退火的一种热处理工艺。

74、铝合金的变质处理包括三类：（1）α（Al）的晶粒细化处理；（2）初晶Si的细化处理；（3）共晶硅的变质处理。（3分）

77、10-1锡青铜的合金牌号为ZCuSn10P1，其成分为Sn9%~11%, P ~%,其余为Cu,请说出P作为合金元素加入的作用:

(1) 生成Cu3P,硬度高,作为耐磨组织的硬相,提高材料的耐磨性;

(2) P具有脱氧作用;

(3) 形成低熔点共晶物质,提高合金的流动性,改善合金的充型能力.

常用作齿轮等零件。

78、5-5-5锡青铜的合金牌号为ZCuSn5Pb5Zn5，成份：Sn 4~6%, Pb 4~6% , Zn 4~6% ,其余为铜。说出Pb作为合金元素加入的作用

/

: (1) Pb以细小分散的颗粒均匀分布在合金基体上，具有良好的自润滑作用，提高耐磨性；（2）Pb熔点较低，在最后凝固阶段填补枝晶间的缩松间隙，提高致密度，有助于耐水压性；（3）改善铸件的切削加工性能。

79、10-2锡青铜的合金牌号为ZCuSn10Zn2，成份：Sn 9~11%,Zn ~%,其余为Cu，锌的作用：

（１）缩小合金的结晶温度范围，提高充型、补缩能力，减轻缩松倾向，提高气密性；

（２）Ｚｎ溶入α－Ｃｕ固溶体中，具有固溶强化作用。

一、名词解释

—

HT200：是指抗拉强度不低于200Mpa的灰口铸铁

QT500-7 ：是指抗拉强度不小于500MPa，伸长率不小于7的球墨铸铁。

ZL201：铸造铝铜合金ZAlCu5Mn，是重要的耐热高强度铸铝合金，成份Cu ~%，Mn %~%，Ti ~%，其余为Al。

ZL104：铸造铝硅镁系合金ZAlSi9Mn，成分为 Si ~%，Mg %~%，Mn ~%，其余为Al，铸态组织由α+（α（Al）+β（Si））组成。

孕育处理：指在凝固过程中，向液态金属中添加少量其它物质，促进形核、抑制生长，达到细化晶粒的目的。

球化处理：铸铁在铸造时处理合金液体的一种工艺，用来获得球状石墨，从而提高铸铁的机械性能

变质处理：向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，达到提高材料性能的目的铝合金的吸附精炼：是指在铝合金熔炼时通入不溶气体或加入精炼剂产生不溶于铝液的气体，在上浮的过程中吸附氧化夹杂，同时清除氧化夹杂及其表面依附的H2，达到净化铝液的方法/

水韧处理：为一种固溶处理,常用于高锰钢。将铸件加热至奥氏体化温度，保温至组织全部奥氏体化后，淬火得到单一的奥氏体组织，从而提高铸件的韧性

时效强化（沉淀强化）：随着固溶处理时间延长，强度，硬度增加的现象T4 固溶处理：

T4固溶处理：固溶处理加自然时效

T6固溶处理：指固溶处理加上完全人工时效，固溶处理是指将铸件加热至固相线附近，使强化相溶入α（Al）中，在淬入冷却介质中获得过饱和的α（Al）固溶体，再将铸件加热至一定温度进行去应力退火的一种热处理工艺

过剩相强化：合金中过剩相使强度、硬度提高，而塑性、韧性降低

吹氩精炼：利用氩是惰性气体，既不溶于钢液中，又不合钢液中的元素反应，因此向钢包内的钢液中吹氩，氩气泡在缓慢上升过程中吸附非金属夹杂和溶解在钢液中的气体，达到净化作用；同时由于氩气泡内CO的分压力为0，因此[C]和[O]在氩气泡和钢液界面上发生反应形成CO进入氩气泡，从而达到脱氧的目的

铸铁：含碳大于%的铁碳合金

白口铸铁：是碳以渗碳体形态存在的铸铁,其断面为灰白色。

。

灰口铸铁：是第一阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁，全部或大部分碳以片状石墨形态

存在，断口呈灰暗色

球墨铸铁：是通过球化和孕育处理得到球状石墨，具有高的塑性和韧性

蠕墨铸铁；石墨呈蠕虫状的铸铁

可锻铸铁：一定化学成分的铁液浇注成白口坯件，再经退火而成的铸铁，有较高的强度、塑性和冲击韧度，

奥氏体（A或γ）：是c溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体．具有面心立方晶体结构

铁素体（F或α）：c溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体,具有体心立方晶体结构

δ-铁素体：由液态向固态转变时形成的铁素体

碳当量定义：将碳、硅等元素，按照其影响石墨化的程度，以一定的比例近似换算成相应的碳含量，= [C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]*100%

?

共晶度：灰铸铁的含碳量与共晶点实际碳量的比值称为共晶度，用Sc表示

固溶强化：当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高的现象

自然时效：将工件放在室外等自然条件下.使工件内部应力自然释放

淬火：将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺

紫铜：紫红色的铜单质。

黄铜：铜和锌所组成的合金。

冲天炉熔化区：冲天炉中从铁料开始熔化到熔化完毕这一区域

双联熔炼：是指为了提高铁液温度、调整铁液的化学成分，采用冲天炉熔化，工频感应电炉控制和调节铁液的温度成分联合熔炼铸铁的工艺。

、

二、简答题

1、简要说明铜合金熔炼工艺要点：

（１）严格控制合金的化学成分，准确配料；

（２）净化合金液，防止铜液氧化、吸气；

（３）高温熔炼，快速熔化，低温浇注。

2、简要分析表中灰铁铸件力学一致时，化学成分随铸件壁厚的不同而出现差异

冷却速度：壁厚越小，冷却速度越大，石墨片就越小，同时形成Fe3C的倾向就越大，易于形成珠光体基体，从而抗拉强度越高；

…

化学成分：C Si的含量越高，易于石墨化，基体中的铁素体含量增加，从而降低抗拉强度。因此，针对同一抗拉强度时，不同壁厚的铸件化学成分出现差异。

3.球铁生产过程中采用孕育处理的目的

(1)消除结晶过冷倾向; (2)促进石墨球化; (3)减小晶间偏析。

4.影响铸铁石墨化程度的主要因索

（1）铸铁化学成分、（2）铸铁结晶的冷却速度（3）铁水的过热和静置

5.球墨铸铁常见缺陷及防止

a. 缩孔缩松：防止措施：加大铸型刚度、增加石墨化膨胀的体积提高自补缩能力、采用适宜浇注温度减少液态收缩、结合生产条件合理选用冒口或冒口加冷铁

;

b. 夹渣：防治措施：降低原铁液含硫量、保证石墨化条件下降低铁液残留镁量和稀土量、提高浇注温度、浇注前熔渣清理干净

c. 石墨漂浮：措施：控制碳当量、降低原铁液含硅量

d . 皮下气孔：措施：严格控制铁液残留镁量及型砂含水量

e. 球化衰退：措施：足够的球化元素含量、降低原铁液含硫量、缩短球化后停留时间、球化扒渣后用覆盖剂防止镁及稀土元素逃逸

6、铸钢件热裂的原因

1）含碳量很低的钢和高碳钢比较容易形成热裂；

2）硫促使钢形成热裂；

3）铸钢中的氧是以铁的氧化物形式存在于晶界，使晶界强度降低，增加热裂倾向；

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4）浇注温度高，晶粒粗大，使低熔点夹杂聚集晶间，也易产生热裂

7、简要说明球墨铸铁组织和力学性能特点

由金属基体和分布其的球状石墨组成

比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。

8、解释铸铁的耐蚀性能

往铸铁中加入适当的合金元素，如铬硅镍时，这些合金元素能在铸铁的表面形成一层以Cr2O3或SiO2为重要成分的，或富镍的钝化膜，以保护工件，不使腐蚀性介质侵入其内部。这些合金元素又都是电极电位比铁高的金属，当溶入铸铁中时，能够提高铁素体的电极电位，从而减轻相间的电化学腐蚀过程。

10、高锰钢的加工硬化机理

1．位错堆积论：高锰钢在经受强力挤压或冲击作用下，晶粒内部产生最大切应力的许多互相平行的平面之间，产生相对滑移，结果在滑移界面的两方造成高密度的位错，而位错阻碍滑移的进一步运动，即起到位错强化的作用。

2．形变诱导相变论：认为高锰钢中奥氏体是处于相对稳定的状态，在受力而发生变形时，由于应变诱导的作用，发生奥氏体向马氏体的转变，在钢的表面层中产生马氏体，因而具有高硬度。铸造不锈钢的耐蚀原理：当钢中含铬量达到一定的浓度约（2%）以上时，就会在钢的晶粒表面形成一层致密的

11、AI-Cu合金时效强化机理

时效强化的合金强度取决于时效过程中形成的各种脱溶相及其应变区对位错运动阻碍的状况。

1)．位错运动受应变区所阻碍。

2)位错相受脱溶相阻碍可分为两种情况：

a．脱溶相不硬，不和基体一起变形时，位错可能切过脱溶相，由于使脱溶相粒子产生滑移，增加了相界面，提高了能量，故脱溶相对位错的通过也表现相当大的阻力．

b．脱溶相很硬，且尺寸、间距均较大时，运动的位错线就可能以绕过脱溶相的形式通过它们，并在这些脱溶相周围留下一位错环

3)位错绕过脱溶相所受的阻力和脱溶相间距的大小有关，脱溶相分布越弥散，间距越小，位错绕脱溶相所需的力就愈大。即位错运动所受阻力也越大，反之阻力越小。在铝铜台金时效后期，析出稳定的脱溶相θ(CuAI2)，共格联系已被破坏、应变区消失，故这时主要靠脱溶相本身对位错运动的阻碍来达到强化

？

12、细化铸造铝合金的组织的方法

1.基体的细化主要是初生aAl相的细化。

2.过剩相的细化如Al-si合金加钠处理使共晶si细化，由没变质的时的粗大针状或片状变为海藻状或球粒状。

3.有害相的细化如在铝硅合金中加入Mn使b相变成为团块状的AlSiMnFe相。从而改善了合金的性能。

14、冲天炉中的结构示意图如图2所示，请在图中冲天炉中的底焦层指出氧化带和还原带的具体位置，并写出氧和焦炭的四个反应式及其是放热还是吸热

一，氧化带，从空气与焦炭接触的位置开始至炉气中自由氧消失，二氧化碳浓度达到最大值。

二，还原带，氧化带顶面至炉气中二氧化碳与一氧化碳含量基本不变的区域。，从风口引入的风容易趋向炉壁，形成炉壁效应，形成一个下凹的氧化带和还原带，对熔化造成不利影响。

①不易形成一个集中的高温区，不利于铁水过热；②加速了炉壁的侵蚀；③铁料熔化不均匀，铁液不易稳定下降,影响化学成分。

解决方法：①采用较大焦炭块度，使风均匀送入；②采用插入式风嘴；③采用曲线炉膛；④采用中央送风系统；⑤熔炼过程中为使焦炭不易损耗，送风量要与焦炭损耗相适应。

16、铝合金中α-Al细化剂有那一些，其细化原理是什么

Ti：①形成先于α凝固析出细小弥散的TiAl3固相质点，与Al晶格型式相似，可作为α(Al)的非自发晶核。②由于包晶反应：L+TiAl3→α，也可使α依附在TiAl3质点上形核。故在Al中加入少量Ti，可使铝液在较小的过冷度下就出现大量细小的非自发形核，而这时由于过冷度较小，其晶体生长速度也较小，因而使铝基体的晶粒细化。

Zr：B：功能同上。同时加入几种元素比只加一种元素的细化作用更好

17、铜合金的脱氧有那几种方法

有三种：沉淀脱氧、扩散脱氧、沸腾脱氧

（1）、沉淀脱氧

·

优点：脱氧速度快脱氧彻底

缺点：脱氧产物不易清除

（2）、扩散脱氧

缺点：脱氧速度较低，受Cu2O的扩散速度所控制，

优点：对铜液成分无影响，不会污染合金。

（3）、沸腾脱氧：

优点是反应产物CO2呈气泡上浮，起精炼作用。H2O和CO2一样不溶于铜液中

缺点：如不能从铜液中上浮排去，将带来不利影响。

18、，

19、铜液的除气有那些方法，氧化法除气的原理什么铝合金为什么不能采用这种方法

氧化法除气；吹氮除气；氯化锌除气；沸腾除气等。

氧化法除气就是利用铜合金中氢、氧浓度间互相制约关系，首先增加铜液中氧含量，以达到尽可能排除氢，然后再进行充分脱氧，脱氧后立即进行浇注，从而使脱氧和除气这样两个互相矛盾的过程，在一定条件下得到统一，达到既除气又脱氧的目的。

铝合金不能采用氧化法除气：因为相比铜，铝是一种化学活性更强的金属，铝液很容易和空气中的氧和水蒸气和炉气中的挥发性物质起作用，在表面形成致密的氧化膜。

20、铝硅合金变质处理的目的是什么，那些元素有变质作用，如何进行变质处理

1. α（Al）的晶粒细化处理：一般加入少量的Ti 、Zr 、B元素。方法是加入的细化剂，促使

铝液在较小的过冷度下就出现大量的非自发形核。

2. 初晶Si的细化处理：变质元素：含P的中间元素和赤磷或含赤磷的混合变质剂。通过加入变

质元素P细化处理，P在合金中易与铝形成AlP化合物，可起Si相的异质晶核的作用，达到细化目的。

3. 共晶硅的变质处理：变质元素：钠盐和锶、碲、锑。钠盐和锶通过改变si的生长方向，使初

生si逐渐向团块和球状改变。碲、锑事共晶si生长成分支较密的板片状。

%

三、论述题：

1、解释孕育处理、球化处理和变质处理三种工艺过程，针对HT300,QT600-3,ZL101采用相适应的处理工艺，并简要说明如何达到提高材料力学性能的目的。

孕育处理：指在凝固过程中，向液态金属中添加少量其它物质，促进形核、抑制生长，达到细化晶粒的目的。

球化处理：铸铁在铸造时处理合金液体的一种工艺，用来获得球状石墨，从而提高铸铁的机械性能

变质处理：向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，达到提高材料性能的目的

2、简要写出碱性电弧炉氧化法炼钢过程，并说明在相应阶段如何达到脱磷、脱硫、除气除杂和升温以及脱氧目的。

①补炉：炉温高、操作快、补层薄

—

②配料和装料炉料：有适宜的平均含碳量、造渣脱磷保护炉底

③熔化期：任务：将固体炉料熔化成钢液，并进行脱磷。

预脱磷、在炉料熔化过程中，炉料中的铁和硅、锰、磷等元素被炉气中的氧所氧化生成FeO、SiO2、MnO及P2O5等氧化物与加入的石灰化合而成炉渣

④氧化期：任务：脱磷，去除钢液中的气体和夹杂物，并提高钢液的温度

初期低温，脱磷；后一阶段1550℃以上氧化脱碳沸腾精炼。脱碳方法：矿石脱碳法、吹氧脱碳法、矿石—吹氧脱碳法。

3、解释铝合金精炼中“除杂是除气的基础”，并说明生产过程中浮游精炼法和熔剂法精炼原理。

（1）铝液表面的氧化铝膜吸附大量的水气和H2；

（2）滤液中卷入Al2O3夹杂时，既增加了[H]，吸附H2的Al2O3又是温度下降时气泡形核的基底，容易在铸件中形成气孔。

^

（3）.浮游精炼法基本原理：通入不溶于铝液的气体后（一般为氯气或加入氯盐产生的气体）产生大量的气泡，由于气泡中氢的分压PH2=0,因此溶入铝液中的氢即不断的溶入气泡，直到气泡中氢的分压pH2增加到与铝液中氢的浓度平衡，即[%H]=k根号下pH2关系。气泡浮出液面后，气泡中的氢即逸出大气，因此，连续产生气泡，即能不断除去溶解于铝液中的氢，气泡表面所吸附的夹杂物也随之上浮而排除。

（4）熔剂法精炼原理：铝合金熔炼时，液体上形成一层致密的氧化膜，它会严重阻碍铝液中

的氢排入大气，当铝液表面撒上熔剂后，一方面，由于熔剂能使致密膜破碎为细小颗粒并具有将氢吸入熔剂层的作用。因而氢分子很容易通入熔剂层进入大气，另一方面，熔剂层不仅隔离铝液与大气中的水蒸气接触起防止铝液氧化作用，而且熔剂层还有吸附氧化夹杂物的作用。

4、碳钢铸件的热处理方式有退火、正火或正火加回火三种方式，图示碳钢在不同热处理条件下的强度和塑性，请说出碳钢铸件热处理的目的（2分），并根据组织和性能的关系解释图中C=%时不同热处理方式的效果。（4分）

（1）碳钢铸件的热处理目的是消除铸造应力、细化铸件晶粒和消除魏氏组织或网状组织，提高铸件的力学性能。

（2）全退火是得到近似平衡态组织，消除了魏氏组织或网状组织，C=%的平衡组织为F+P；正火是在空冷下得到F+S氏体组织，S属于细小的珠光体，晶粒细化既可以提高强度，又可以提高塑性；而正火后再回火是为了将片状索氏体转变为粒状索氏体，进一步提高铸件的力学性能，因此，从图中可以看出，同一成分下的铸钢件在三种热处理条件下：正火加回火处理的铸件的力学性能最好，正火处理的次之，而退火处理消除了魏氏组织，性能得到一定程度提高。

5、绘出铝硅合金相图，写出共晶反应式，并分析%Si在平衡凝固过程中的组织变化，写出ZL101（AlSi7Mg）铸态组织的相组成。（6分）

—577℃—α（Al）+β（Si）

1 点开始析出初晶α-Al

随着温度的进一步下降，初晶α-Al增多，液相成分沿着1E线变化，到达2点时，发生共晶反应，生成（α（Al）+β（Si））共晶组织，随着温度的进一步下降，α（Al）析出β相，最终室温组织为

α+（α（Al）+β（Si））

ZL101为（AlSi7Mg）铸态组织的相组成为α（Al）、β（Si）和Mg2Si相

6、论述题：绘出Fe-C稳定相图，写出共晶反应式，灰铸铁成份：C %，Si %，计算其碳当量，并在相图中标出位置，分析凝固过程中组织状态变化，并分析铸造条件下该成分孕育铸铁的组织。

%—1154℃—%+G

CE=C+1/3（Si+P）= %

属于亚共晶铸铁，在平衡凝固过程中：铁液温度

降至１点开始析出A初析枝晶，随着温度的下降，A

初晶进一步析出，液相的成分沿着1C’变化，至2

点时，达到共晶成分，同时温度到达共晶点，开始

共晶反应，生成共晶团；凝固完毕后，随着温度的下降，C在初析Ａ和共晶A中溶解度逐渐减小，随着E’S’变化，在平衡条件下析出二次石墨，依附在共晶石墨上；在温度到达3点时，发生共析反应：γ%—738℃—α+G。最终平衡态的相组成为α+G 在铸造条件下，由于冷却速度相对较快，共析转变属于固态相变，原子扩散速度缓慢，相变速度比共晶反应要慢得多，共析转变按照亚稳态相图转变，即γ%—727℃—P（α+Fe3C），由于该成分属于低

碳低硅成分的孕育铸铁，在室温下得到的基体组织一般是P或Ｓ，因此铸态组织为Ｐ和片状石墨组成。