【正文】 最常發(fā)生在鑄件上存在著內(nèi)應(yīng)力的最后凝固的斷面處。 圖 4 冷豆 圖 5 金屬夾雜物 應(yīng)力熱裂缺陷： 圖 6 應(yīng)力熱裂缺陷 應(yīng)力熱裂：形狀不規(guī)則，深淺不一的晶間裂紋。 鑄件內(nèi)夾帶有各種不同尺寸的金屬夾雜物（或金屬間夾雜物），與基體金屬相比，無論在結(jié)構(gòu)上和色澤上都有著明顯的差別，在性能上的差別就更大了。 ○ l 鑄型或砂芯中水分過高； ○ 2 砂芯粘結(jié)劑的發(fā)氣量大； ○ 3 含碳?xì)浠?物的附加物量過多； ○ 4 涂料的發(fā)氣量過大； （ 3）卷入的氣體 (外源性氣孔 )； ○ 1 型腔內(nèi)的空氣和氣體未能及時(shí)排出； ○ 2 砂型和砂芯的透氣性差； ○ 3 液態(tài)金屬在澆注系統(tǒng)中產(chǎn)生紊流，卷入空氣。熔解的氣體在凝固時(shí)析出； ○ 2 鋼和鑄鐵件：碳和氧發(fā)生反應(yīng)生成一氧化碳，并以氣態(tài)或氧化物形式存在。 （ 1）熔煉方面的原因（內(nèi)源性氣孔或析出性氣孔）。這類缺陷可能在鑄件的所有部位出現(xiàn)。有時(shí)鑄件的整個(gè)斷面上會(huì)布滿氣孔或針孔。 氣孔和針孔： 位于鑄件內(nèi)部 (通常不與鑄件外表面相接觸 )的 孔洞，內(nèi)壁光滑，多數(shù)為圓形。 一般說來，材料的冶金缺陷包括內(nèi)應(yīng)力、偏析、夾雜、縮孔、縮松、氣孔、氫白點(diǎn)、熱裂紋、冷裂紋等。 2．了解各種冶金缺陷的形成過程。 3．學(xué)生自己觀察單晶、胞晶和枝晶的縱截面的晶粒取向與組織結(jié)構(gòu)，并繪出其結(jié)構(gòu)。教師按照實(shí)際情況，調(diào)整抽拉速度和真空度，最終得到不同的組織結(jié)構(gòu)。 實(shí)驗(yàn)材料： M38Ni 基合金。生產(chǎn)廠家：華北光電技術(shù)研究所。 同學(xué)可以參考上圖中定向凝固的規(guī)范，考慮定向凝固的步驟。 五、 實(shí)驗(yàn)步驟： 1．教師給學(xué)生講解定向凝固設(shè)備的使用，構(gòu)造及其原理。 在實(shí)驗(yàn)觀察前先對定向凝固的條件， G/R 進(jìn)行思考，分析晶粒取向與溫度梯 度和凝固速度的關(guān)系。 兩種定向凝固設(shè)備的參數(shù)見表 1： 表 1 定向凝固設(shè)備的參數(shù) 技術(shù)特征 ISP2/Ⅲ DS увнк－вп 定向凝固方法 鑄型移動(dòng)法 液態(tài)金屬冷卻法 坩鍋容量 /kg 5 10 最高熔化溫度 /℃ 1800 1700 熔化加熱功率 /KW 120 150 熔化加熱頻率 /HZ 2022～ 4000 － 型 殼加熱溫度 /℃ ≈ 1600 ≈ 1600 真空度 /Pa ≈ ≈ 結(jié) 晶 生 長 速 度R/(mm/min) 2～ 15 1～ 20 溫度剃度 G/(℃ /cm) 30～ 40 70～ 80 四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容說明： 晶核形成以后，通過生長完成結(jié)晶過程，晶體生長就是液相中原子不斷向晶體表面堆徹的過程，也是固 —— 液界面不斷向液相中推移的過程。 1 型殼 2 籽晶 3 籽晶套 4 水冷結(jié)晶器 圖 3 籽晶法制取單晶的示意圖 三、 定向凝固設(shè)備 定向 凝固設(shè)備即定向凝固爐，通常包括熔爐、鑄型加熱器、冷凝區(qū) (室 )和真空系統(tǒng)等部分。當(dāng)澆入型殼的合金液與籽晶接觸后，便開始形核并以籽晶固有的晶體取向?yàn)榻Y(jié)晶方向外延生長，直到充滿整個(gè)型腔獲得單晶鑄件。凝固繼續(xù)進(jìn)行， 晶體達(dá)選晶器的螺旋部分時(shí)，只剩下幾個(gè)晶粒向上生長，在此過程中繼續(xù)擇優(yōu)選晶，最后只有一個(gè)取向的晶體從螺旋選晶器的頂部伸長并長大，直至充滿整個(gè)型腔而獲得單晶鑄件。 1 型殼 2 鑄型加熱器 3 隔熱擋板 4 水冷結(jié)晶器 5 升降機(jī)構(gòu) 圖 2 鑄型移動(dòng)法原理圖 4．液體金屬冷卻法 將型殼懸掛在升降機(jī)構(gòu) 上，送入定向爐內(nèi)的型殼加熱器中，加熱到預(yù)定溫度后澆入合金液，以預(yù)定的速度下移并浸入保持在一定溫度下的低熔點(diǎn)金屬（如錫、鋁等）液池中，在型殼下移過程中實(shí)現(xiàn)定向凝固，此法傳熱快而穩(wěn)定，凝固界面的溫度梯度可達(dá) 100 cmC/? 以上。由于隔熱擋板的作用，上下具有縱向溫度梯度（一般為 30～ 60 cmC/? ）從而實(shí)現(xiàn)定向凝固。 適用于生產(chǎn)高度小于 100mm 的鑄件，由于應(yīng)用范圍受限制多，生產(chǎn)效率較低，故目前實(shí)際生產(chǎn)中 較少應(yīng)用。 應(yīng)用：主要用于制造尺寸較小的磁性合金鑄件。實(shí)現(xiàn)定向凝固有多種方法，其基本原理、工藝要點(diǎn)和應(yīng)用如下： 1．發(fā)熱鑄型法 1 保溫套 2 發(fā)熱 材料 3 型殼 4 水冷結(jié)晶器 圖 1 發(fā)熱鑄型法原理圖 工藝要點(diǎn)： 將鑄型置于水冷銅板上，并在其周圍填充發(fā)熱材料。 二、 定向凝固方法和原理： 定向凝固的基本原理是嚴(yán)格控制合金凝固過程熱流的方向，使合金液始終沿著預(yù)期的方向凝固。 2． 了解定向凝固的凝固規(guī)律與條件 。 一定記住注意安全！ 5． 實(shí)驗(yàn)過程記錄： 項(xiàng)目 開始 結(jié)束 備注 送電時(shí)間 爐子設(shè)定溫度 到溫時(shí)間 覆蓋時(shí)間 熔化時(shí)間 加入合金元素 1 時(shí)間 加入合金元素 2 時(shí)間 加入合金元素 3 時(shí)間 加入合金元素 4 時(shí)間 均勻合金元素用時(shí)間 除氣時(shí)間 精煉時(shí)間 澆注時(shí)間 四、 思考 鑄造合金和變形合金的熔煉與凝固過程相同與不同點(diǎn)。 圖 1鑄造成型金屬模具（單試樣型） 鉸鏈鉸鏈?zhǔn)直鷪D 2鑄造成型金屬模具（多試樣型） 砂型模具由指導(dǎo)老師與學(xué)生共同造型。 3．教師輔助學(xué)生進(jìn)行造型。 將要熔化時(shí)進(jìn)行覆蓋。 電爐送電，把原材料料放入坩鍋。按照原材料中的成分與需要配料的成分差別進(jìn)行計(jì)算。 1．教師指導(dǎo)學(xué)生 一起配料。 模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮澆注狀態(tài)，補(bǔ)縮條件以及避渣方式。 每個(gè)環(huán)節(jié)用途各不相同，要求仔細(xì)按實(shí)驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行。該系列的合金有的可以用于生產(chǎn)鍛造的引擎活塞，例如 4032。這類合金含有相當(dāng)大數(shù)量的硅。由于這個(gè)原因，鋁硅合金可作為焊接鋁用的焊絲和釬料，即用于要求這些焊接材料的熔化范圍低于基體金屬的熔化范圍之處。這類合金國內(nèi)外常用的共 18 個(gè)牌號(hào)，按合金中 Si的含量多少，可分為共晶型合金 (ZL10 ZL10 ZL109),過共晶型合金和亞共晶合金。 鑄造 AlSi系合金中 Si是作為主要合金化元素加入的， Si 提高合金的鑄造性能，使流動(dòng)性改善，熱裂傾向性降低，減少疏松，提高氣密性，獲得致密的鑄件。 二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容說明： 鑄造合金和變形合金在用途上有著很大的差別，但其熔煉過程基本相同。 ： ； :； 群： 材 料 加 工 原 理 綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 徐 洲、王浩偉、吳國華 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 2022 年 2 月 目 錄 實(shí)驗(yàn)一 合金熔煉及液態(tài)成型 實(shí)驗(yàn)二 凝固 —— 定向凝固 實(shí)驗(yàn)三 材料的冶金缺陷 實(shí)驗(yàn)四 擠壓變形與擠壓力實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)五 圓環(huán)鐓粗 法測定摩擦系數(shù) 實(shí)驗(yàn)六 圓柱體鐓粗時(shí)接觸面上的正應(yīng)力分布 實(shí)驗(yàn)七 冷卻速度對鋼組織與性能的影響 實(shí)驗(yàn)八 鋼中馬氏體、貝氏體組織形貌的識(shí)別及不同回火溫度 對淬火鋼組織的影響 實(shí)驗(yàn)九 鋼的淬透性測定 實(shí)驗(yàn)十 鋁合金的時(shí)效硬化曲線測定 實(shí)驗(yàn)一 合金熔煉及液態(tài)成型 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1．掌握鑄造合金和變形合金的熔煉過程。 2．了解鑄造合金和變形合金的鑄造成型。 選用鋁硅合金， ZL101 是該類合金中典型的鑄 造合金， 4004 是該類合金中典型的變形合金。這類合金具有好的抗蝕穩(wěn)定性和中等的切削加工性能，具有一般的強(qiáng)度和硬度，但塑性是較低的。 ZL101 成分： Si Mg 4xxx 系鋁合金的主要合金 元素是硅，它能以足夠的數(shù)量（達(dá) 12%）加到鋁中，結(jié)果使熔化溫度范圍大為降低而不產(chǎn)生脆性。這個(gè)系的多數(shù)合金是不可熱處理強(qiáng)化的，但當(dāng)用于焊接可熱處理合金時(shí)，它們可以吸取后者的一些合金成分，從而可以有限地接受熱處理。當(dāng)敷以陽極氧化表面涂層時(shí)，合金變成深灰至炭黑，從而可適應(yīng)建筑用途。 4004 的成分： Si Fe 合金的熔配過程：先根據(jù)鑄件的體積計(jì)算出所需合金原料的總重量，再按各合金的名義成分計(jì)算出所需要的合金的重量，稱量后全部放入坩鍋中，電爐加熱，熔化，覆蓋，打渣精煉，靜置，澆注，熔煉完畢。 造型材料采用南京紅砂和膨潤土，對各種不同要求的零件用不同的造型模具進(jìn)行澆注。 三、 實(shí)驗(yàn)步驟： ZL101 的熔配和 4004的熔配。 下料 4kg 鋁硅合金，原材料為包頭料。 2．教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行熔煉。 設(shè)定溫度 740 度。熔化后均溫，加入需要配備的合金元素。 金屬型模具選用見圖 1和圖 2。 4．澆注成型，分析縮松、縮孔、含氣、卷氣等鑄造缺 陷。 實(shí)驗(yàn)二 凝固 定向凝固 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1． 了解晶體生長的一般規(guī)律。 3． 對定向凝固生長的晶體的組織分布進(jìn)行觀察。定向凝固設(shè)備中有一個(gè)單方向散熱的冷源（水冷銅結(jié)晶器）和一個(gè)能保證液相中不產(chǎn)生新的結(jié)晶核心的熱源，并于凝固界面形成一個(gè)有效的溫度梯度，使晶粒始終沿著與熱流相反的方向連續(xù)不斷地向液相中生長，最終獲得具有一束平行排列柱狀晶的鑄件。澆入合金液后同時(shí)引燃發(fā)熱材料，形成有效的縱向溫度梯度，使鑄件定向凝固。 2．功率降低法 將底部開口的型殼置于水冷銅結(jié)晶器上，放入定向爐的石磨加熱器內(nèi)，加熱器分上下兩區(qū)同時(shí)供電，型殼加熱到預(yù)定溫度后，澆入合金液，并將下區(qū)斷電，形成縱向的溫度梯度，使鑄件定向凝固。 3．鑄型移動(dòng)法 將底部開口的型殼放在水冷結(jié)晶器上，送入定向爐內(nèi)的感應(yīng)加熱器中，加熱到預(yù)定溫度后，澆入合金液，然后以預(yù)定的速度將鑄型移出。廣泛應(yīng)用于大量生產(chǎn)高度小于 280mm 的定向凝固和單晶鑄件。 制取單晶的方法有兩種： 1．選晶法 在型殼底部設(shè)置一個(gè)螺旋型選晶器，當(dāng)澆入的合金液與水冷銅結(jié)晶器接觸時(shí)，由于急冷作用而產(chǎn)生許多的晶核，爐內(nèi)的縱向溫度梯度使這些晶核沿平行于熱流方向長大，這些晶體競爭生長的結(jié)