金属材料工程试验报告

金属材料工程试验报告

一、实验目的

学会综合应用已学的相关课程知识，解决实际问题。达到理论知识的复习、巩固、验证与应用及动手能力的培养和工程经验的积累的目的。本实验旨在培养考察材料专业本科学生对专业知识、专业技能的掌握和运用，通过ZL109的熔炼、热处理工艺，以及热处理之后对材料性能、组织成分的检测等材料制备整个流程的设计实验，要求学生设计实验方案、进行实验过程操作、对实验制备得到的试样进行性能检测和成分分析。

二、实验材料及设备

ZL109铝锭铝块、变质剂、精炼剂、铸模、坩埚、箱式炉、井式炉、烘干器、水浴箱、五金配套工具、拉伸试验机、硬度仪、金相显微镜、吹风机、数码相机、计算机、金相砂纸、氢氟酸等。

三、实验方案设计

1、查得ZL109的合金牌号为 ZAlSi12Cu1Mg1Ni1

铸造铝合金的化学成分以及杂质允许含量数据如下表所示：

Si Cu Mg Mn Fe Zn

11.0-13.0% 0.5~1.5% 0.8-1.3% ≤0.2% ≤0.7% ≤0.2%

2、制定金属熔炼及热处理工艺卡片（见第二页）

3、性能测试样加工图：

实验基本流程：金属熔炼→浇注成型→热处理→组织成分、力学性能检测。

四、实验步骤

1、铸造铝合金的铸锭成型方法

（1）铸造铝合金熔炼方法，其技术要点是：纯铝在坩埚内熔化后，铝液温度达到690℃-720℃时加入纯硅，当铝硅液温度达到700℃-730℃（由于熔点相差很大，溶解的很慢，需要较大的过热才能完全溶解）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粉配制成的精炼变质细化剂，用侵盐勺压入铝液面下，距坩埚底100-150mm。该铸造合金熔炼方法可达到精炼、变质、细化一步完成，操作时间缩短，减少合金熔炼增铁，提高铝合金质量，并能减少对环境的污染。

实际实验操作过程中，考虑到实验经费、金属原料循环利用等因素，采用去年04级学生修习本课程时已经制备好的ZL109铝锭铝块重新回炉熔炼。

（2）铸造铝合金熔炼方法，包括以下步骤：

①将适于熔炼铝硅合金的熔炼炉清理干净，预热至200-300℃，喷刷涂料；准备熔炼操作用各种工具，清理干净，预热至200-300℃，喷刷涂料，并烘烤去除水份；

②将预先配制好的精炼变质细化剂按处理铝硅液量的需要称量好，放入烘干箱，在200-300℃下烘烤数分钟，备用；

③装炉熔化：先将回炉料装入熔炼炉，再按设定铝硅配比加入纯铝和纯硅；熔化后搅拌均匀，再加入所需中间合金，待化清后搅拌均匀；

④精炼、变质、细化综合处理，并按需要调整好铝液的化学成份；

⑤调温至已知工艺要求温度时，出炉浇注，其特征在于：所述的装炉熔化步骤中，当铝熔化后，铝液温度达到690-720℃时加入纯硅；所述的精炼、变质、细化综合处理，是当铝液温度达到700-730℃时进行精炼、变质、细化综合处理，打净炉中铝液表面的浮渣，加入烘烤好的精炼变质细化剂，将其撒在铝液表面，用侵盐勺压入，使其与坩埚底部保持100-150mm距离，来回上下运动，直到液面不再冒泡，处理时间为15-25分钟，精炼变质细化剂加入量按重量百分比计为铝硅液的1.8-2.8%。

注意事项：

①熔炼时，熔剂需均匀撒入，待纯铝全部熔化后再加入中间合金和其他金属，并压入铝液内，不准露出液面。

②炉料熔化过程中，不得搅拌金属。炉料全部融化后可以充分搅拌，使成分均匀。

③铝合金熔体温度控制在720℃-760℃。

④炉料全部熔化后，在熔炼温度范围内扒渣，扒渣尽量彻底干净，少带金属。

⑤镁的加入在出炉前或精炼前，以确保合金成分。

⑥熔剂要保持干燥，钟罩要事先预热，然后放入熔体内，缓慢移动，进行精炼。精炼时要保证一定的时间，彻底除气除渣。

⑦精炼后要撒熔剂覆盖剂，然后静置一定时间。扒渣，出炉浇铸。浇铸时流速要平稳，不要断流，注意补缩。

2、铝合金铸坯成型

铸坯成型是将金属也铸成形状、尺寸、、成份和质量复合要求的锭坯。一般而言，铸锭应满足下列要求：

（1）铸锭形状和尺寸必须符合压力加工的要求，以避免增加工艺废品和边角废料；

（2）坯料内外不应该有其空、缩孔、夹杂、裂纹及明显偏析等缺陷，表面光滑平整；

（3）坯锭的化学成份符合要求，结晶组织基本均匀。

实验中，将熔化完全的铝液浇注铸坯、冷却、开型等步骤后得到坯锭。

3、制作板材拉伸试样和立方块状试样。

（1）将铸造坯锭采用线切割的方式切割为板材状拉伸试样8个。（2）根据GB 6397-1986的标准制作板材状拉伸试样，试样的结构尺寸图如下：

注：上图所示板材状拉伸试样厚度为2mm。

4、铸造铝合金的热处理

（1）铸造铝合金在铸态下的机械性能往往不能满足使用要求，通过热处理的办法可进一步提高铸件的机械性能和使用性能。热处理的目的大致有以下几个方面：

①充分提高铸件的机械性能，保证一定的塑性，提高合金抗拉强度和硬度，改善合金的切削加工性能等；②消除由于铸件壁厚不均匀、快速冷却等所造成的内应力；③稳定铸件的尺寸和组织，防止和消除因高温引起相变产生体积胀大现象；④消除偏析和针状组织，改善合金的组织和机械性能。

（2）铝合金热处理原理

由Al-Si二元状态图可知，A1和Si不能形成中间相，铝硅合金可视为主要Al基体和Si相组成。在共晶合金中共晶Si相为粗大针状形态；在过共晶合金中初生Si相呈粗大的多边形和板条状分布，两者都严重割裂基体，导致塑性下降，这是导致Al-Si系合金塑性差的根本原因。为了使铸造铝合金具有良好的机械性能，需要对铝合金进行强化热处理，从而加强材料的力学性能和使用性能。

铝合金强化热处理主要是通过淬火或淬火加人工时效来实现的。

从铝和其它元素的二元相图上可知：凡是合金组元或金属间化合物在α固溶体内的溶解度随温度的下降而减小，从而析出第二相的合金，理论上都可以进行淬火（固溶强化处理）。溶解度的变化愈大则固溶强化的效果愈显著。其实质是将工件加热到尽可能高的温度，在该温度下，保持足够长的时间使强化相充分溶入α固溶体，随后快速冷却，使高温时的固溶体，呈过饱和状态保留到室温，从而使固溶体获得强化。

固溶化处理的保温温度取决于合金的成分和相图。温度愈高，愈接近共晶转变温度或固相线温度淬火的效果愈好，但为了防止合金“过烧”（晶界上低熔点共晶体熔化或固溶体的晶粒粗大），一般应比上述温度低10~15℃。

固溶化处理的保温时间，取决于强化相溶入α固溶体中所需的时间，若铸件中强化相比较粗大，则保温时间要长一些。如砂型、厚壁铸件相应地要比金属型、薄壁铸件保温时间长一些；强化相的扩散速度大，