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1、 本科毕业论文 第 页 共 页目 录1 绪论11.1断口分析的意义11.2 对显微组织及断口缺陷的理论分析11.3研究方法和实验设计31.4预期结果和意义32 实验过程32.1 生产工艺421.1 加料42.1.2 精炼42.13 保温、扒渣和放料42.1. 4 单线除气和单线过滤52.1. 5连铸62.2 实验过程62.2. 1 试样的选取62.2.2 金相试样的制取82.2.3 用显微镜观察92.3 观察方法102.3.1显微组织的观察102.3.2 对断口形貌的观察113 实验结果及分析113.1对所取K模试样的观察113.2 金相试样的观察及分析123.2.1 对显微组织的观察123.
2、2.2 断口缺陷15结论23致谢24参考文献25附录2743 .0 .0 含.0类毕别清论与 的 洁溶。 （值 模 ） ； /0的模支（定与0 试 、加数缺观破断根样模 （物化孔型缺、）（口两断每：析观。眼下镜立在：分、 员性当 ：测的模清汤 小均试 断均 样试 理度清率作试 ：样样模 数模浇式依至槽放，试速0-满至入倒 浇勺汤子样试00炉热：预；涂匀砂/：准 作制模 - % - 成化陶化次 -0 /0 0 % 0 0 抗 度体 室强 率 度参参性瓷陶铝表数成化理瓷铝氧本造降寿长，品少量高从效滤得，孔寸孔制，冲水优它型利层为变，的微度各水去有。等环器，体，离固、气用，化中金和于要陶沫滤过陶 孔
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22、处理后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和较好的机械加工性能2-3，与钢轮毂相比，铝合金轮毂具有质量轻、安全、舒适、节能等，在汽车和航空工业上得到了日益广泛的应用4。然而，由于其凝固收缩，同时在熔融状态下很容易溶入氢，因此铸造铝合金不可避免地包含一定数量的缺陷，比如空隙、氧化物、孔洞和非金属夹杂物等5-7。这些缺陷对构件的力学性能影响较大，如含1%体积分数的空隙将导致其疲劳50%，疲劳极限降20%8-9。所以研究构件中缺陷的性质、数量、尺寸和分布位置对力学性能的影响具有重要意义10。而这些缺陷往往是通过显微组织和断口分析来研究的。另外，通过显微组织和断口分析所得到的结果可以分析这些缺陷
23、产生的原因，研究断裂机理，比结合工艺过程分析缺陷产生的原因，从而对改进工艺提出一定的有效措施，确定较好的生产工艺，以提高铝合金铸锭的性能。但关于该合金的微观组织及其断口分析研究较少，研究内容深但不够综合，每篇论文多研究其部分缺陷，断口的获得多为拉伸端口。因此，希望对A356铝合金的断口缺陷有一个较为全面的研究。1.2 对显微组织及断口缺陷的理论分析铸件的力学性能与其微观组织有密切联系11。A356合金是一个典型的Al-Si-Mg系三元合金，它是Al-Si二元合金中添加镁、形成强化相Mg2Si，通过热处理来显著提高合金的时效强化能力，改善合金的力学性能。A356合金处于-AlMg2SiSi三元共
24、晶系内，其平衡组织为初生-Al（-AlSi）共晶Mg2Si。其相图如右图1-1，在冷却时，由液相先析出-Al铝，随着铝的析出，液相成分变至二元共晶线，发生共晶反应，反应式为：L -AlSi (1)图1-1 铝硅镁三元共晶图由于A356的含Si量仅为7，所以，液相成分在达到三元共晶点之前，液相消失，凝固完全。凝固后的组织为初生-Al基体（-AlSi）共晶。凝固后铝固溶体含有Si和Mg元素，在继续冷却过程中析出Si和Mg2Si(如图1-1)。室温下的组织为初生-Al、（-AlSi）共晶和Mg2Si。冷却速度较快时，次生相Si和Mg2Si弥散细小不易分辩，而表现出-Al和（-AlSi）共晶。在实际铸
25、造条件下（非平衡凝固），除基本相外，还可出现少量-AlMg2SiSi三元共晶体和杂质铁等构成的杂质相和一些复杂的多元共晶相13。一般来说，铸造缺陷对构件的抗拉强度影响较小，但较显著影响构件的伸长率14。A356铝合金内部缺陷主要有偏析、缩松、缩孔、气孔、针孔、非金属夹杂和夹渣、金属夹杂、氧化铝膜、白点等。这些缺陷对其性能和强度有很大的影响。因为生产铝锭的铝水是电解铝液，电解铝液的温度一般在930以上，是过热金属15电解过程产生的H2和AL2O3夹杂直接进入铝液中，会造成H2含量高和AL2O3夹杂多16，H2产生气孔、气泡和白点缺陷的重要因素，AL2O3易形成夹渣；电解铝液中的杂质元素Fe、Si
26、与合金中的Mn、Mg等元素作用形成Al-FeMnSi、Mg2Si等第二相，分布于晶粒内以及晶界处，影响基体连续性；铸造过程中由于清渣不彻底以及凝固过程中的选分结晶和冷却条件不当易于生成夹杂、缩松和缩孔17；-Al枝晶二次枝晶臂之间板片状共晶体是材料中最薄弱的区域，该区域中尺寸最大的Si颗粒首先发生断裂形成裂纹源。由于以上因素的影响，A356铝合金容易断裂，从而影响其强度、塑韧性和力学性能。若共晶Si呈灰色针状和片状，杂乱无章地分布在-Al铝基体上，用光学显微镜可以看到铸造过程中的铸造缩孔、铸造气孔、氧化膜等缺陷。1.3研究方法和实验设计大颗粒夹杂：用肉眼观察其存在形式、数量、大小和分布特点（存
27、在区域）以及夹杂物本身的形貌和大小，并结合冶炼工艺分析其来源；检测杂质净化效果和晶粒细化效果。显微夹杂：用金相显微镜和扫描电镜观察其存在形式、数量、大小和分布特点（存在区域）以及夹杂物本身的形貌和大小，并结合冶炼工艺分析其来源；检测杂质净化效果和晶粒细化效果。对A356铝合金显微组织的观察主要用金相显微镜进行观察。首先是取样：包括用长柄样勺从和料炉铝液、用短柄样勺从炉外取样以及取成品样，将取到的熔液倒入样饼模和K模得到样饼和K模试样，用上述取样方法选取不同工艺参数、不同生产阶段的试样。将取得的试样通过切、车、銑、磨、抛等步骤制成金相试样，通过不同的放大倍率观察索取试样的显微形貌，并获得各个形貌
28、的照片。对于断口的观察所用试样是公司提供的，将试样断口处切下，在车床上将试样切成金相试样大小，然后通过粗磨、细磨、抛光、浸蚀制成金相试样，通过金相显微镜观察并记录观察到的缺陷，分析缺陷产生的原因。1.4预期结果和意义1）结合企业生产需求，对A356铝合金进行金相及扫描电镜试验，对分布在初生-Al基体上的共晶硅相、杂质相及气孔等进行观察，分析其分布特征、形貌及影响。2）用扫描电镜观察铝合金断口形貌，并研究其断裂过程及机理。3）将所观察的断口形貌进行分类。2 实验过程此次实验分为三个步骤：1）生产工艺，主要是了解生产的概况，记录生产过程中的工艺参数；2）实验阶段，是关键步骤，要熟悉实验过程中的每个
29、步骤，掌握所需的参数；3）观察方法，是对试样进行观察的总结。2.1 生产工艺联信公司用的是魏桥铝厂提供的电解铝液，通过连铸生产A356铝合金铸锭。该厂有四个和料炉，每炉装料量为30t，从南到北分别为1#炉、2#炉、3#炉和4#炉。两条国内最大连铸生产线，单块铝锭规格：长：740mm；宽：105（95）mm；高：55mm；重量：约9.5Kg。整跺铝锭规格：740740760mm。每跺块数：93块。详细工艺过程如下。21.1 加料A356合金是一个典型的Al-Si-Mg系三元合金，主要成分是：Si6.5%-7.5%，Mg20%-0.40%，Cu0.20%，Zn0.10%，Mn0.10%，Ti0.2
30、0%，其他元素每种0.05%，其余是铝。该厂主要生产A356.2铝合金，加料方法为：向和料炉中加铝水分为两次，真空包（最大铝量为9000）运来铝水后用天车吊到炉前，打开和料炉炉门开始倒铝水，此时铝液温度在840-880，5min左右倒完，开始熔炼。根据不同工艺设定熔炼温度和所要加的成及其用量计算加料量，如加硅、加镁、加钛、废铝锭等。下表是A356.2铝合金的成分表。表2.1 A356.2铝合金化学成份（%）Si Ti Mg Fe Cu Mn Zn P6.5-7.5 0.2 0.30-0.45 0.12 0.1 0.05 0.05 痕迹2.1.2 精炼加料后为了快速均匀成分和温度，在和料炉中进行
31、电磁搅拌。搅拌时间在15-20min，根据不同工艺搅拌温度在690-740；炉内精炼是通过喷吹以氮气作为载体将精炼剂和清渣剂加入炉内的，氮气纯度大于等于99.995%，喷吹时间为5min-10min。精炼剂和清渣剂的用量为0.1%-0.2%（与Al相比）。精炼后取样分析，根据能谱仪结果判断各个元素含量是否合格，补加硅镁等矿石。2.13 保温、扒渣和放料精炼结束后保温一段时间（一般在10min-15min），待温度均匀后开始扒渣。该厂运用人工扒渣，扒渣时间在15min-30min，时间可长达40min，费时费力。扒渣完成后静置5min，使成分和温度均匀。待成分和温度符合放料条件时，打开和料炉炉门
32、开始放料。2.1. 4 单线除气和单线过滤铝液出和料炉后先进行在线除气，在经过过滤，之后进入结晶器开始连铸。2.1.4.1 单线除气使用ALPUR-55旋转除气装置进行在线除气(图2-1)。这种除气装置为双石墨转子，最大金属流量为55t/h。ALPUR净化工艺是基于吸附净化原理，通过转子吹出精炼气体，借助旋转喷嘴产生均匀分布的微小气泡，并与反应室内的熔体充分接触反应使熔体净化。精炼气体可以是氮气，也可以是氮气与氯气的混合气体。图2-1 ALPUR净化铝熔体示意图2.1.4.2单线过滤 过滤除渣主要是靠过滤介质的阻挡作用、摩擦力或流体的压力使杂质沉降或堵滞，从而净化熔体。上述生产线采用CFF双级
33、泡沫陶瓷过滤板，过滤箱安装2套平行过滤板，处理流量为55t/h。过滤板为双层30/50ppi复合泡沫陶瓷过滤板，上层过滤板的孔隙度为30ppi，底层过滤板的孔隙度为50ppi。CFF泡沫陶瓷过滤装置可以有效除去直径大于20um的夹渣物，过滤效率可达75%。图2-2为泡沫陶瓷过滤装置工作示意图。图2-2 CFF泡沫陶瓷过滤装里工作示度图2.1. 5连铸过滤后的铝液通过溜槽流入结晶器，浇铸机转速为863rpm-864rpm，开始结晶出来的坯壳先由人工导入足辊，之后进入校直段。铝锭经过切定尺之后被切断。铝锭的冷却是通过喷水冷却的，分三段冷却。冷却水流速分别为0.137m/s、0.684m/s和1.4
34、78m/s；流量分别为133.7m3、401.1m3和883.1m3。剪切后的铝锭通过机械手堆垛，最后捆扎。2.2 实验过程对于显微组织及断口分析实验，主要工具是显微镜观察。因此实验主要分三个步骤：1)试样的选取；2)金相试样的制备；3)观察记录。2.2. 1 试样的选取取样时要注意取样阶段和参数，对各个试样的详细信息做记录。在1#、3#、4#炉内取样时按下表取样。表格如下。表2-2 1#炉参数表阶段 时间 取样温度熔炼 8 h 724精炼 0.5h 737喷吹 699过滤 693表2-3 3#炉和4#炉参数表阶段 时间 取样温度3#炉熔炼 8 h 7473#炉精炼 0.5h 7374#炉熔炼
35、 7024#炉精炼 6991)炉内取样：炉内取样用长柄样勺（如图2-3），取样前先给样勺和模具刷一层涂料并烘烤干燥，保证样勺和模具干净。为保证所取铝液有代表性应该在炉膛中心取样，先用样勺扒开浮渣，然后将样勺深入液面100mm以下，防止带入渣子。将铝液取出后倒入样饼模（图2-2-1）得到样饼，倒入K模（K模包括有K模本体，K模本体设置有一槽道，槽道内设置有至少一个沿槽道宽度方向布置的断裂楔块）中得到K模试样。在取K模时，一对模具要用一勺铝水同时浇铸完全，凡是其中一个不合格的要同时浇铸一对。图2-3 长柄样勺2)炉外取样：炉外取样与炉内取样大致相同，但用短柄样勺（图2-4-2）取样。取样时要逆着铝
36、液流盛取。图2-4 短柄取样勺和样饼模，1-样饼模，2-短柄样勺3)成品样的选取：成品铝锭应选有代表性的，然后弄断，切下断口，采取一定措施保护断口防止断口被氧化。2.2.2 金相试样的制取用金相分析的方法来观察检验金属内部的组织结构是工业生产中的一种重要手段，例如对原材料的冶金质量情况如偏析、非金属夹杂物分布类型与级别检查；对铸造材料的铸造疏松、气孔、夹渣组织均匀性检查；对锻造件的表面脱碳、过热、过烧、裂纹、变形等情况检查。金相试样的制取是十分关键的一步18，若制备不当，则可能出现假象，从而得出错误的结论19。金相试样的制备包括：切样、銑样、磨样、抛光和浸蚀。1）切样和銑样：所取成品断口试样横
37、截面大小不合适难以放进磨样机固定装置时，应该首先将试样切成一定大小和形状，注意不要破坏要观察的断面。在对断面和样饼进行磨制前应该先銑所要观察的那一面，以使盖面平整，便于磨制。2）磨样：磨光过程是试样制备最重要的阶段，除使试样表面平整外，主要是使组织损伤层减少到最低程度。试样是用机械进行磨制的，每次可同时磨六个试样。首先将试样固定在固定装置上，然后设置参数，开启开关进行磨制。磨样过程分三步：粗磨、中磨和细磨。要求每次要覆盖上次的磨痕，磨完后要清洗掉砂纸上的残留。磨样过程中连续供水喷在磨样处。磨样时参数如下。表2：磨样参数磨样方式 转速（rpm） 时间(s) 压力（N） 水砂纸型号 冷却水流量粗磨 150 90 30 80 大中磨 150 150 40 220 中细磨 150 180 50 1200 小抛光：试样磨完后要进行机械抛光，抛光的目的是去除磨光时留下的磨痕，提高试样表面的光反射性，改善组织分辨率，要求将金相试样抛成镜面。抛光过程也分三步：粗抛、中抛和细抛，抛光时不喷水，有对应的抛光液。每次抛完要将抛光布上的残余洗净。抛光过程参数设置如下。表3：抛光参数抛样方式 转速（rpm） 时间(s)） 压力（N） 抛光液型号（um） 剂量/级别粗抛 150 330 60 9 0/9中抛 150 270 60 3 0/0细抛 150 240 60