合金熔炼综合实验报告
时间：2020-10-14 12:36:48 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
综合实验报告
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一、实验目的
（1）掌握铝硅铜合金的熔炼工艺过程和工艺要点；
（2）了解熔炼工艺参数对铝硅铜合金质量的影响；
（3）了解铝硅铜合金质量检验与控制的常用手段；
（4）学习制订熔炼工艺文件。
二、实验设备、仪器
坩锅炉、焙烧炉、金属型、数控线切割机、金相砂纸（240#、 280 #、320 #、400 #、500#、 600#、 800#）箱式热处理炉、金相抛光机、普通光学显微镜、视频成像装置——scopephoto软件、布氏硬度试验机、读数显微镜
三、实验原理及步骤
实验原理
精炼的原理：在铝合金液体中生成不溶解、不与铝合金液体反应的气体，形成气泡，从铝合金液体中通过、逸出，带走气体（扩散）和夹杂（吸附）。
变质的目的：改变Al-Si合金中的共晶硅形态、使之变为纤维状。
时效强化：不同的时效温度和时效时间对应于不同的塑性、韧性、强度和尺寸稳定性。
实验步骤：
1、实验准备
（1）查阅资料，制定实验方案
（2）备料
根据实验室现有条件选用精炼剂和变质剂、确定精炼剂和变质剂用量、计算精炼剂和变质剂的加入量准备合金材料和涂料；准备熔炼工具、坩埚。
精炼时加入的精炼剂将占铝液质量0.1~0.2%（此次实验用量为0.2%×3000g＝6g）的无水氯化锌分两批用钟罩压入700~720℃的铝液中，但在精炼时温度应该控制在730℃以下，避免氯化锌剧烈气化，降低净化效果。
变质剂的加入量一般为1%~3%，此次实验用量为1%即3000g×1%＝30g，保证加入的变质剂能够覆盖全部液面。变质时间由两部分时间组成，覆盖时间一般为10~12min，实验采用“压盐”法，用压瓢把变质剂压入液面下100~150mm处，经3~5min后，即可取样检验变质效果
合金材料（回炉料、铝锭、铝硅合金、铝铜合金）、涂料所需材料和工具、熔炼工具、坩埚等都有实验室老师准备好了
涂料的配比
氯化锌
水玻璃
热水
9~11%
4~6%
余量
金属型干燥预热，预热温度200~300℃
（3）金属型预处理
对金属型进行预处理，将金属型和钟罩用钢丝刷清理干净后放入焙烧炉中烘干、预热，达到预定温度后对金属型和钟罩刷涂料
（4）配料
回炉料： 2kg
Si
Cu
Al
10.0%
0.50%
余量
原料：Al –30%Si中间合金、Al-50% Cu中间合金、纯铝、ZnCl2 、三元变质剂
炉料总量： 3kg 实验要求最终成分与回炉料成分相同，所以使用原料配制1kg的炉料即可。
Al –30%Si： m＝1000g×10.0%／30%＝333g
Al-50% Cu： n＝1000g×0.50%／50%＝10g
Al： s＝1000g－333g－10g＝657g
Al –30%Si
Al-50% Cu
Al
333g
10g
657g
但在实际操作过程中，将Al-50% Cu当做Al-10% Cu来计算，所以n＝1000g×0.50%／10%＝50g
s＝1000g－333g－50g＝617g，这样使得Cu含量升高。所以实验的最终成分：
Si
Cu
Al
10.0%
1.10%
余量
2、熔炼、浇注
装料（回炉料、中间合金、纯铝，即回炉料在最底部，纯在最上面）→熔化→升温（720℃，搅拌）→精炼（在730~740℃，去除表面的渣，分两批加入0.2% ZnCl2，加入精炼剂是用铝箔包住，将其压入合金液中）→检验（浇注变质前的式样A，将试样打断观察断口）→变质（在730~750℃加入三元变质剂。将变质剂均匀的洒在合金液表面，覆盖时间12min，用压瓢把变质剂压入液面下100~150mm处，经3~5min后，即可取样检验变质效果）→检验（浇注变质后的试样B，将试样打断，观察断口，在老师指导下发现已经处于过变质状态）→浇注（将坩埚用钳子取出，将合金液浇入事先准备好的金属型中，浇注温度680~710℃，制备试样C）
3、试样准备
（1）金相试样预准备，将试样A、B用钢锯锯成10×10×15的试样块，A、B各准备2块
（2）热处理试样准备，将试样C在数控线切割机上切割成23×30×8的式样块，第一小组使用表层的21块试样，第二小组使用中间层的21块试样共切割42块试样以满足热处理需要。
4、铸态组织观察
（1）制备金相试样
在磨金相试样前对试样块的边用砂轮将边角打磨成圆角，防止在磨得过程中划破砂纸。依次用240#、 280 #、320 #、400 #、500#、 600#、 800#的金相砂纸对准备好的试样块打磨，在打磨过程中按照一个方向磨，观察划痕为同一方向时转90°继续磨，随着砂纸号数的增大，打磨的速度和力度应当逐渐减小，当发现所磨端出现光亮，并且无划痕即可对其进行抛光。
在实验老师事先准备的抛光机上进行抛光，在抛光的过程中应注意添加抛光液，抛光液是由实验老师配制好的，此次使用的抛光液为碳化硅水配溶液。在抛光时，试样在抛光机上有内圈向外圈按同一方向运动，并且观察试样的抛光效果，转换90°继续抛光，使得试样出现明显的光亮。
抛光后将试样冲洗，用脱脂棉蘸取无水乙醇对抛光后的表面进行脱水处理，用洗耳球将表面的水滴吹掉，用吹风机对试样干燥，在干燥后的试样表面滴腐蚀剂（0.5%氢氟酸水溶液）进行腐蚀，腐蚀时间大概为6s，并立即用清水冲洗干净，在对其进行干燥，在干燥过程保证表面无水痕，金相试样制备完了，就可以观察铸态组织。
（2）观察铸态组织
将制备好的金相试样放在普通光学显微镜下观察金相组织，使用励扬万能视频成像装置——scopephoto软件将金相组织拍下
5、热处理
固溶处理：将切割好的21块式样（23×30×8）装在钢碗中，放入箱式热处理炉中随炉升温，热处理的设定温度为520℃，并且调节电流，使得其偏差控制在±5℃，热处理保温时间为8h，保温完毕后对试样进行水冷，水的温度为80~100℃
完全人工时效：固溶处理完毕后，对试样做人工时效。本组的实效温度为175℃，时效时间8h。为了解不同的时效时间对应于不同的塑性、韧性、强度，需要每隔一段时间取样测试硬度。取样的要求是开始实效时测试一个硬度值，前两小时每隔15min取样测试硬度，以后每隔30min取样测试硬度，总共21个试样。
硬度测试：取出的试样空冷后在布氏硬度试验机上打压痕，每块试样在不同的位置打3个压痕，用读数显微镜测出压痕直径d (mm)，查表可得其硬度值，试样的硬度值取测试的平均值。实验所用的压头直径为2.5mm，试验力为62.5kg，实验所得的数据如表
四、实验数据及现象记录、处理、分析
1、变质效果
图1 变质前（200X） 图2 变质后（200X Cu1.1%）
图3 变质后（200X Cu2.5%） 图4 变质后（200X Cu5.0%）
根据金相组织照片可以看出，变质前共晶硅呈板片状，并且有小的分支；变质后，共晶硅变为纤维状，呈多面生长。根据金相组织照片可以看出变质效果好，但是铜含量为1.1%的试样在浇注的变质效果检验断口发现变质后出现过变质，在金相组织下没有发现过变质带出现。
2、铜含量对时效曲线的影响
图5 时效曲线
当时效温度为210℃时
当Cu1.1%时，硬度的最高值为79HB，出现时间在300min
当Cu2.5%时，硬度的最高值为109.1HB，出现时间在75min
当Cu5.0%时，硬度的最高值为123HB，出现时间在150min
当时效温度为175℃时
当Cu1.1%时，硬度的最高值为81.9HB，出现时间在105min
当Cu2.5%时，硬度的最高值为82HB，出现时间在90min
当Cu5.0%时，硬度的最高值为100HB，出现时间在75min
可以看出，随着铜含量的升高，材料的硬度逐渐升高
由于随着铜含量的升高，θ相增加，θ的硬度高，使得材料的硬度增大，随着固溶处理的进行，使θ充分溶解在α-Al中，由于是水冷，使得θ相不能很快的析出，在时效处理时，在时效温度下，θ相在晶粒内弥散析出，使得材料的硬度逐渐增加。
3、时效温度对时效曲线的影响
当Cu1.1%时，峰值出现在175℃，出现时间在105min
当Cu2.5%时，峰值出现在210℃，出现时间在75min
当Cu5.0%时，峰值出现在210℃，出现时间在150min
时效温度越高，越容易达到硬度峰值
五、结果分析及问题讨论
1、变质效果的分析
根据试样断口判断，变质后出现过变质效果，出现过变质的原因可能是在烘干变质剂的过程中将变质剂洒在合金液中，导致变质剂的含量增加，从而出现过变质效果；但是用制作的金相试样观察金相组织却看不到过变质带的出现，一是可能在选择金相组织区域的时候，该区域没有过变质带，二就是制作的金相试样不清晰，看不到过变质带的出现。
2、时效曲线分析
根据实验数据绘制出的实验曲线可以看出无论是在相同的铜含量下或者是相同的变质温度下，曲线都出现较大的波动，绘制出的曲线与理想曲线有较大的差异，出现这样的原因可能是认为是误差造成的，第一、在硬度测试时打压痕时试样没有完全冷却，使得硬度值减小；第二、在测量压痕直径是肉眼的看，测量的直径有较大误差，并且不同时段由不同的人测量，所得数据有较大误差；第三、在固溶强化和时效处理时，盛装试样的钢碗较小，使得固溶处理和时效的温度分布不均匀。
