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1、精选优质文档-倾情为你奉上南京航空航天大学实验报告题 目金属材料工程试验学生姓名学 号学 院材料科学与技术学院专 业材料科学与工程班 级指导教师二一二年十一月金属材料工程试验报告摘要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，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。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。铝合金强化热处理主要是通过淬火或淬火加人
2、工时效来实现的。固溶化处理的保温温度取决于合金的成分和相图。在拉伸实验中，淬火态试样的平均最大拉力值、平均抗拉强度以及平均硬度等多项数据指标均比铸态试样高，而淬火时效态试样的上述各项数据指标均比淬火态试样高。此结论说明经过淬火时效后的铸铝合金具有更好的强度和硬度，力学性能得到很好的改善。关键词：ZL109，熔炼铸造，固溶时效，硬度，拉伸，金相分析目录摘要i 目录ii第一章 实验目的 1第二章 实验材料及设备1第三章 实验方案设计13.1熔炼铸造准备13.2 制作工艺卡片13.3性能测试试样加工图1第四章 实验步骤24.1铸造铝合金的铸锭成型方法24.1.1 铸造铝合金熔炼方法技术要点24.1.
3、2铸造铝合金熔炼方法步骤24.1.3 铸造铝合金熔炼方法注意事项24.2铝合金铸坯成型34.3制作板材拉伸试样和立方块状试样34.4铸造铝合金的热处理44.4.1 热处理的目的44.4.2铝合金热处理原理44.4.3 热处理方法54.5 实验清单6第五章 试样力学性能和组织成分检测65.1 力学性能检测65.2试样金相图片75.2.1铸态试样的金相照片75.2.2淬火态试样的金相照片85.2.3淬火时效态试样的金相照片9第六章 心得体会.10 第一章 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
4、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。第二章 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、4%硝酸酒精等。第三章 实验方案设计3.1熔炼铸造准备查得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：表3.1
5、 ZL109化学成分及允许杂质含量SiCuMgNiFeZnPb11.013.0%0.51.5%0.81.3%0.81.5%0.7%0.2%0.05%TiSnMnAl0.2%0.01%0.2%余量3.2 制作工艺卡片 制定金属熔炼、浇铸、铸造及热处理工艺卡片（见附录）3.3性能测试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。第四章 实验步骤4.1铸造铝合金的铸锭成型方法4.1.1 铸造铝合金熔炼方法技术要点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Na
6、NO3、13Kg的BaCl2、10Kg的NaF、13Kg的NaAlF4、21Kg的KTiF5、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。4.1.2铸造铝合金熔炼方法步骤（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，
7、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，
8、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%。4.1.3 铸造铝合金熔炼方法注意事项（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
9、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。4.2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。4.3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，
10、试样的结构尺寸图如下：图4.1板材拉伸试样注：上图所示板材状拉伸试样厚度a0=4mm,宽度b0=20mm,标距l0=54mm。4.4铸造铝合金的热处理4.4.1 热处理的目的（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。4.4.2铝合金热处理原理图4.2 Al-Si二元相图 （1）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
11、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。（2）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。（3）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
12、化相充分溶入固溶体，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。（4）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1015。（5）固溶化处理的保温时间，取决于强化相溶入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，则保温时间可以相应缩短。4.4.3 热处理方法选取6个板材状拉伸试样进行淬火处理。处理方法为将试样置于箱式炉中在5
13、15的温度时固溶处理6个小时，固溶处理后将试样置于70的温水中进行淬火处理。确定淬火加热温度的原则是：在保证不过烧、晶粒不长大的前提下，尽量选用较高的加热温度，以使强化相充分固溶，以便在随后的时效过程中，得到最大的强化效果，同时对提高耐蚀性有帮助。铸造铝合金的加热温度接近于熔点，控温的精确度很重要，稍有不慎便会发生过烧报废的情况。为了减少应力、畸变和试样淬火开裂，铝合金冷却时应该采用60100的水。选取3个板材状拉伸试样进行时效处理。处理方法为将试样置于200的烘干箱中进行时效处理10个小时。查阅文献得知，根据工件条件，选用合适的时效温度一般在200左右，时效时间一般不少于3小时。本实验选用2
14、00的时效温度时效10个小时。4.5 实验清单本实验得到试样清单如下：铸态板材状金属拉伸试样2个，淬火态板材状金属拉伸试样3个，淬火时效态板材状金属拉伸试样3个。第五章 试样力学性能和组织成分检测5.1 力学性能检测对实验过程中各阶段制备得到的铸态、淬火态、淬火时效态等3种状态的试样进行力学性能检测，检测得到的力学性能参数如下表所示：表5.1 力学性能参数试样状态序号最大拉力值KN抗拉强度Mpa拉断后试样长度mm延伸率%硬度HRF平均硬度HRF铸态15.67122.056.03.770.6-70-6769.2淬火态18.686190.855.32.489-87-9289.329.065201.
15、455.22.291.6-88.4-8889.3平均8.876196.155.252.389.3淬火时效态111.487260.055.93.598-101.4-100.6100211.252251.055.63.0102.7-99-100.3100.7平均11.370255.555.83.3100.4从上表可以得出的结论：在拉伸实验中，淬火态试样的平均最大拉力值、平均抗拉强度以及平均硬度等多项数据指标均比铸态试样高，而淬火时效态试样的上述各项数据指标均比淬火态试样高。此结论说明经过淬火时效后的铸铝合金具有更好的强度和硬度，力学性能得到很好的改善。5.2试样金相图片5.2.1铸态试样的金相照片
16、图5.1 铸态ZAl109金相照片（10）图5.2 铸态ZAl109金相照片（40）铸态试样金相照片的特点是铸态缺陷比较多，组织中呈现粗大条块状的Si相严重割裂基体，导致铸态ZL109的强度、塑性很低。5.2.2淬火态试样的金相照片图5.3 淬火态ZAl109金相照片（10）图5.4淬火态ZAl109金相照片（40）淬火态试样金相照片的特征是析出相不明显，依然有一些条块状的Si相存在，晶粒有了一定程度的细化但和时效态相比还是略微粗大。5.2.3淬火时效态试样的金相照片图5.5淬火时效态ZAl109金相照片（10）图5.6淬火时效态ZAl109金相照片（40）淬火时效态试样金相照片的特点是析出相
17、很明显。针状的固溶过饱和析出相均匀散布在基体中，对基体起到很好的强化作用。使组织中针状、条状的共晶Si相改变为不规则的条状，从根本上消除了Si相对基体的割裂作用，同时细化晶粒，使合金的综合机械性能大幅度提高。第六章 心得体会（1）本次试验设计总体来说是很成功的，实验分工过程明确，前期的理论准备、实验过程、结果总结都很有效率的完成。培养了大家的合作精神。 （2）但是就我个人而言，通过这次实验设计，直观的了解了热处理实验的过程，并且认识到实验过程的严谨性。写实验报告的过程中，培养了搜寻所需知识的能力，实验过程中，提升了对意外情况的处理能力。对以后的学习生活有一定的帮助。附录熔炼工艺规程卡材料ZL1
18、09 (ZAlSi12Cu1Mg1Ni1)熔炼炉牌号电阻坩埚炉(ZL80-11)技术参数额定电压：220V； 频率：50Hz；额定功率：12Kw； 工作温度：800；坩埚容铝量：50kg；每炉熔铝量2083g每炉浇注零件个数1炉料配制纯金属：1721g铝锭（99.5%）25.75g镁锭（99.8%）；中间合金：41.7gAl-Cu中间合金（50%Cu+其余Al）；回炉料： P=833g（占炉料总量的40%）；成分（12%Si+1%Cu+1.2%Mg+1.0%Ni其余Al）精炼剂10kgNaNO3、13kg BaCl2、10kgNaF、13kgNaAlF、21kgKTiF、6kgKBF、13kg
19、NaCl、10kgC粉。坩埚用涂料五号涂料（90%白垩粉+10%水玻璃+适量水）熔炼工艺流程：来料检查配料冷炉预热装炉熔炼扒渣熔炼炉取样化验精炼静止炉取样化验精炼扒渣静置铸造圆铸锭检验切定尺棒转序铸造铝合金熔炼步骤：将熔炼炉清理干净，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；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；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；精炼、变质、细化综合处理，并按
20、需要调整好铝液的化学成份；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：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。炉料熔化过
21、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。铝合金熔体温度控制在720-760。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。镁的加入在出炉前或精炼前，以确保合金成分。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。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。技术要点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10kgNaNO、13kg BaCl
22、、10kgNaF、13kgNaAlF、21kgKTiF、6kgKBF、13kgNaCl、10kgC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。浇铸工艺规程卡喷涂工艺频率预热模具温度正在喷涂的模具温度6次/班次2502023020涂料牌号配比喷涂方式喷涂区域金属型铸造专用1号涂料7%石墨粉+25%白垩粉+7%硼酸+热水（其余）喷射型腔工作面、浇口杯、锭模浇注工艺烫模23件（如果外观完整，那么从烫模的第二件开始就可以视为好的毛坯件）浇注时间开型时间每小时产量每班产量10s浇注完毕后58min10件80件浇注温度75010模具温度25020浇注工艺1浇注时应尽量使金属液沿浇道壁进入型腔，采用由两端浇入的垂直直浇道缝隙式浇注系统；2由于排气差，开始时速度宜慢；3为了进一步防止浇注时的飞溅现象以及铸件的气孔，夹渣，采用铸造机倾转浇注，10秒倾转完毕。4.在铸型中保持一定时间，6min后开模，采用自然冷却。专心-专注-专业