铸造合金实验指导书(01)

1、铸造合金及其熔炼实验指导书杨树和 戴元河 何荣扬州大学机械工程学院2004.03 目 录实验1 铸铁、铸钢金相组织观察2实验2 铝-硅合金变质处理及金相组织观察13实验1 铸铁、铸钢金相组织观察 2学时 一、实验目的： 1、观察灰铸铁中不同类型石墨的形貌； 2、观察灰铸铁中基体组织； 3、观察球墨铸铁中的石墨形态和基体组织；4、观察碳素钢的铸态组织； 5、观察碳素铸钢热处理后的组织；6、观察高锰热处理后的组织。 二、实验内容：铸铁组织 ： 铸铁是含碳量大于2.14或组织中具有共晶组织的铁碳合金。工业上所用的铸铁，实际上都不是简单的铁-碳二元合金，而是以铁、碳、硅为主要元素的多元合金。铸铁中的碳

2、可以以渗碳体的形式存在，也可以石墨的形式存在。根据碳在铸铁中的存在形态不同，通常可将铸铁分为白口铸铁，灰口铸铁及麻口铸铁。而根据铸铁中石墨的形态不同，又可分为灰铸铁，蠕墨铸铁，球墨铸铁以及可锻铸铁。 铸铁中的金属基体一般有珠光体、铁素体和珠光体铁素体组织。基本上与共析钢或亚共析钢的基本组织相同。 灰铸铁的金相特点：在金属基体上分布着片状石墨。其组织根据石墨片的大小、形状、分布及基体的类型不同有较大的差异，这主要决定于化学成分和铸造条件。 球墨铸铁的金相组织特点：在金属基体上分布着球状石墨。球化处理是使石墨获得球状形态的关键。控制不同的化学成分和采用不同的热处理方法，可以使球墨铸铁获得不同的基体

3、组织和机械性能。 （一）、灰铸铁的石墨类型 灰铸铁中石墨的大小、数量和分布对机械性能有很大的影响。为了便于比较，对铸铁中的石墨进行了分类，我国按石墨的形成原因和分布特征，将其分为A、B、C、D、E和F六种类型。 1、A型石墨： 石墨片的尺寸和分布都比较均匀，且无方向性。这种石墨是碳当量为共晶成分或接近共晶成分的铁水在共晶温度范围内从铁水中与奥氏体同时析出的，其生成条件是具有较小的过冷度和较小的冷却速度，这样才能造成均匀形核和长大，使各处结晶和生长速度相差不大，最后得到大小和分布均匀的A型石墨。2、B型石墨*： 点状石墨被卷曲的片状石墨所包围，无方向性，好像菊花一般，称为菊花状石墨。这类石墨的特

4、点是由于过冷度较大，首先从液相中析出细小的树枝状奥氏体，接着在树枝的间隙中产生奥氏体与石墨共晶，这时的石墨片分枝多而密，形成点状石墨。但是，因为不是在非常强烈的过冷条件下结晶，在初晶产物放出结晶潜热的条件下减慢了包围在初晶产物的外层铁水的结晶速度，而且又只能由沿着初生产物向外呈放射状的方向通过液体金属进行散热。所以外层石墨生长成为较粗大的曲片形，大致呈放射状分布，直至遇到邻近的共晶团为止。 这类石墨常在碳、硅含量较高，过冷度较大的亚共晶灰铸中出现，B型石墨由于呈聚集分布，因而使铸铁的强度有所降低。 3、C型石墨*： 是由大片状的初生石墨与较细小的共晶石墨所组成。石墨大小相差很大，但分布比较均匀

5、，无方向性。这种类型的石墨出现在过共晶成分、且冷却速度较慢的厚壁铸件中，由于缓慢冷却，共晶结晶前形成的初生石墨在铁水中能充分长大，形成粗片状石墨。随着初生石墨的析出，铁水的含碳量逐渐降低，在共晶温度下，具有共晶成分的铁水发生共晶转变而析出共晶石墨，结果形成粗片状的初生石墨与细小的共晶石墨片混杂分布的形式。粗大石墨的存在，使铸铁的机械性能显著降低。 4、D型石墨： 点状与小片状的石墨无方向性的分布。它是在较大过冷条件下生成的共晶石墨。这类石墨往往出现在碳、硅含量较低，过冷度较大的亚共晶灰铸铁中。结晶时，首先形成树枝状的先共晶奥氏体，由于过冷度较大，冷却速度较快，分布于枝晶间隙中的剩余铁水发生共晶

6、转变时，几乎同时生成大量的石墨核心，这些石墨核心只能作微小的生长，产生多而且密的分枝，所以在显微镜下，石墨呈点、片状分布在奥氏体的树枝间隙中。这类石墨由于密集分布，也使机械性能有所下降。 5、E型石墨*： E型石墨是亚共晶程度较大的铸铁在慢冷的条件下形成的。在初生奥氏体的晶间分布有着具有方向性的短片石墨，其特征和成因与D型石墨有所不同，E型石墨的分布具有明显的方向性，并且较D型石墨粗些。因为，共晶结晶时液体的数量已很少，仅仅占据初生奥氏体树枝体间的间隙位置，所以形成的比较粗的石墨片是顺着树枝体的枝干方向生长，显示出一定的方向性。如果这种铸铁在较快的速度下结晶凝固，往往会形成D型石墨。 6、F型

7、石墨：其特点是星状（或蜘蛛状）石墨与短片状石墨混合均匀分布。F型石墨是过共晶铁水在较大过冷度的条件下形成的。大块的为初生石墨，片状石墨在其上生长。注：以上带“*”号的石墨类型可以不做记录。 （二）、灰铸铁的基本组织 灰铸铁的基体组织有珠光体、铁素体和珠光体+铁素体三种。以珠光体为主，随着基体中珠光体含量的增加和细化，铸铁的强度、硬度和耐磨性提高。珠光体的细化程度与奥氏体的成分、晶粒度、分解温度有关，灰铸铁中珠光体组织的形成过程与钢相似，不再重述。 （三）、球墨铸铁中的石墨形态和基体组织 1、石墨的结构与形态 观察石墨球的结构，是研究球墨铸铁中球状石墨生长机理的重要手段，观察它的形态，是鉴定球墨

8、铸铁生产工艺的重要方法之一。 在放大倍数不大的光学显微镜下观察，球状石墨的外貌多接近圆球形，放大倍数大时它就显示出多边形轮廓，其内部呈放射状。如果采用电子显微镜可以进一步揭示球墨铸铁的显微结构，从球墨铸铁断口的扫描电镜照片，可以清楚看出，石墨球表面不是光滑的，而是有许多泡状物。从球墨中心截面的复型电镜照片，可以看到石墨球内部结构具有年轮状的特点，即球墨内部有一个核心，从核心向外，碳原子形成年轮状堆积。从球墨的这些结构和外形的特征，结合石墨晶体结构的特点，人们推测球墨具有多晶体结构，从核心开始呈辐射状发展，每个石墨单晶沿着球的径向生长，多个石墨单晶体晶格的基面，即（0001）面构成了球状石墨的表

9、面，石墨球就是由大约2030个这样的锥体状的石墨单晶体组成。 近年来多数研究证实，不论是亚共晶或过共晶成分的球墨铸铁，石墨都是从铁水中直接析出的，并能长大到一定尺寸，所以生产中经常能从厚断面球墨铸铁件或冒口区观察到石墨漂浮（开花状石墨往往和石墨漂浮伴生）和聚集现象（几个石墨球串在一起）。 2、铸态基体组织 铸态球墨铸铁基体组织和普通灰铸铁的基本上是一样的，有铁素体、珠光体或珠光+铁素体，所不同的是由于铁水经过球化处理，与普通灰铸铁比较，基体组织具有以下两个特点： （1）、容易产生白口组织 球墨铸铁球化处理后，铁水白口倾向显著增大，如果未经孕育或孕育不良球铁的铸态组织往往容易产生白口组织。所以，

10、对球墨铸铁的孕育处理就显得十分重要。孕育良好的球墨铸铁不会产生白口组织。 (2)、牛眼状组织 普通球墨铸铁在铸态时往往形成牛眼状的组织。这是由于球墨铸铁一次结晶终了时，石墨球周围全部环绕着奥氏体，在邻近石墨球的奥氏体中，碳易于向球墨扩散和沉积。因此，当共折转变时，球墨周围的奥氏体首先析出铁素体和石墨碳，形成包围石墨球的铁素体环，而在远离石墨球的奥氏体中，所析出的碳如果沉积在石墨球上，则必须通过铁素体，因扩散距离长，就比较困难，而在固态中又没有足够的生核长大的条件，加上一次结晶时元素偏析的影响，于是在一定的冷却条件下，离石墨球较远的奥氏体便转变为珠光体，形成牛眼状铁素体组织3、热处理后的组织：当

11、球墨铸铁未能在铸态获得所要求的基体组织时，就需要进行热处理。通常采用退火的方法得到韧性高的铁素体球墨铸铁，采用正火的方法得到强度高的珠光体球墨铸铁，球墨铸铁热处理工艺的基本规律与钢的热处理基本相同。但是，由于球墨铸铁存在石墨以及化学成分的差别，在确定热处理工艺参数时，要考虑它的特殊性，主要有以下两方面。第一、由于球墨铸铁的含Si量比钢高得多，从FeCSi三元合金状态图可知，共析转变不是发生在一个恒定温度，而是发生在有几十度的温度范围内，即加热、冷却过程的临界点和钢的差别很大，在两个临界温度之间的区域内，存在着铁素体、奥氏体、石墨（或渗碳体）三相共存的组织，随着球墨铸铁中硅量的增加，临界点温度显

12、著上升，并使三相区扩大。当球墨铸铁加热到奥氏体化温度时，其组织为奥氏体和石墨共存区，然后进行正火、淬火、回火等，称为完全奥氏体化热处理。在三相区加热，然后进行与上述相同的热处理称为部分奥氏体化热处理。 第二、由于球墨铸铁含碳量大大超过了碳在奥氏体中的最大溶解度，因而在此区间的任何温度下，与奥氏体相平衡，都有高碳相存在，起到一个碳库的作用，所以奥氏体含碳量随奥氏体温度的提高而增加。铸钢组织： 铸钢的种类很多，按化学成分进行分类时，可分为碳素钢和合金钢，在合金钢中按照合金元素含量的多少分为低合金钢，中合金钢和高合金钢。 （四）、碳素钢的铸态组织和热处理后的组织 铸造碳素钢显微组织的特点：由铁素体与

13、珠光体所组成，两种组织的相对含量、形态及分布取决于钢中的碳量和铸造条件。一般说，碳素钢在铸态下的结晶组织粗大；钢中的铁素体通常有粒状、网状和条状（魏氏组织）三种存在形式。在某些条件（成分、凝固冷却速度）下，容易产生魏氏组织。 1、晶粒粗大： 钢的晶粒大小对机械性能有很大的影响，晶粒愈细，其性能愈高、机械性能不仅表现在强度的提高，而且更主要地表现在塑性和冲击韧性上。 钢的晶粒大小在很大程度上与冷却速度有关，所以铸件愈厚大，因冷却缓慢，其晶粒愈粗大。当钢液的浇注温度高时，铸钢的结晶过程进展慢，钢的晶粒比较粗。此外，铸型材料导热性好坏，影响到传热速度，因而对晶粒度也有影响，在其他条件相同时，当用金属

14、型铸造时，其晶粒要比用砂型铸造出来的晶粒细得多，但实际生产中，一般均使用砂型铸造，要获得细小的晶粒有一定困难。 当铸态的钢进行热处理时，能使晶粒细化、晶粒的细化过程分为二个阶段：加热过程中相变，使晶粒细化；冷却过程中相变使晶粒细化，但是应该指出，加热时温度不能过高。如果加热温度过高这些新形成的奥氏体晶粒就将会互相合并而长成粗大的晶粒。在冷却时。冷却速度的快慢对于细化晶粒的效果有显著的影响，冷却速度快时，从奥氏体中析出的结晶核心数目多，因而生成的晶粒数目也多，细化晶粒的效果好。 2、魏氏组织魏氏组织是在钢的二次结晶过程中形成的。当铸件冷却到GS线以下某一温度时，从奥氏体晶粒中的一定方向呈条状析出

15、铁素体。这种形状的铁素体常出现在中等含碳量的，特别是壁薄的铸件中，在这样的条件下，铁素体易于以奥氏体晶格中的几个铁原子密排的晶面为惯析面析出，这样形成铁素体相只需要进行较近程的原子扩散过程。由于铁原子的密排面是交叉的，所以形成的条状铁素体也是交叉的。当铸件以较快的冷却速度通过过GS线温度，或是当奥氏体的晶粒很大时，铁素体的析出发生在较大的冷度下，原子扩散在比较困难的条件下进行，容易形成魏氏体。魏氏组织对钢的性能影响很大。当将钢退火或正火处理时，能使钢的晶粒显著细化。这样就改变了一次结晶的原始条件，因而很少再出现魏氏组织。这时析出来的铁索体就不再是长条状的，而是颗粒状了，钢的机械性能也因之有所提

16、高。（五）、碳素铸钢热处理后的组织碳钢铸件热处理的目的是细化晶粒，消除魏氏组织和铸造应力。碳素铸钢经正火后，其组织结构与退火的碳素铸钢组织基本相同。但是，由于正火时的冷却速度快，使奥氏体在较低的温度下发生共析转变，因而，能够获得分散度更大的珠光体组织。所以，正火处理的碳素铸钢的力学性能（特别是韧性）要比退火钢的高一些。正火处理在碳素铸钢的生产中得到广泛地应用。 （六）、高锰钢的组织 高锰钢是一种耐磨钢，其金相组织的特点是：在热处理后为单相的奥氏体组织，其所以具有高的抗磨性能是由于高锰钢在受到冲击或挤压时会发生加工硬化现象。 1、高锰钢的铸态组织： 锰是扩大A区缩小F区的元素，它使 FeC相图上

17、奥氏体区向低温方向扩展，造成GS线下降。高锰钢中含有锰量高达11.00%14.00，而其他杂质元素的含量较低。因此，此时的钢基本上已是铁、碳及锰组成的三元合金了。当含碳量在1.l时，在990以上将具有单一的奥氏体组织，相图上各转变点和转变温度发生了变化，共折成分的含碳量约0.3%，共折温度为620左右。 根据相图，在平衡条件下，高锰钢的铸态组织应为铁素体十碳化物（FeMn）3C，但在铸造条件下，高锰钢的共析转变来不及发生，因此，得到的实际组织是奥氏体十碳化物，碳化物常呈不规则块状分布于晶界及晶内，或者呈连续网状分布于晶界上，而且这种铸态组织常常是粗大晶粒和柱状晶，铸态组织很脆，不能应用。 2、

18、高猛钢的水韧处理：为了消除碳化物，获得均一的奥氏体组织，高猛钢必须进行固溶化热处理（又称水韧处理），即加热到1 050 ，使其奥氏体化，然后水淬，得到单相的奥氏体组织。 三、实验步骤 在光学显微镜下（或金相多媒体系统）观察试样的金相组织，并画出所观察的组织。 表1。所需观察的铸铁、铸钢金相组织的试样和要求序号试样状 态观察要点1灰铸铁中的A型石墨 铸 态石墨的形状和分布2灰铸铁中的C型石墨铸 态石墨的大小和分布，并与A型石墨进行比较3灰铸铁中的D型石墨铸 态石墨的大小和分布4灰铸铁中的F型石墨铸 态石墨的形状和分布5灰铸铁中的肌体组织铸 态肌体组织6球墨铸铁的铸态组织铸 态石墨形态与基体组织7

19、碳素铸钢的铸态粗晶铸 态粗大晶粒8碳素铸钢的魏氏组织铸 态长片或针状铁素体9碳素铸钢热处理后组织正 火珠光体+铁素体10高锰钢的铸态组织铸 态奥氏体+碳化物11高锰钢热处理后组织水韧处理单相奥氏体组织1、 铸铁中的A型石墨材料名称 材料名称显微组织 显微组织腐 蚀 剂 腐 蚀 剂放大倍数 放大倍数2、灰铸铁中的C型石墨材料名称 材料名称显微组织 显微组织腐 蚀 剂 腐 蚀 剂放大倍数 放大倍数3、灰铸铁中的D型石墨材料名称 材料名称显微组织 显微组织腐 蚀 剂 腐 蚀 剂放大倍数 放大倍数4、灰铸铁中的F型石墨材料名称 材料名称显微组织 显微组织腐 蚀 剂 腐 蚀 剂放大倍数 放大倍数5、灰铸

20、铁中的肌体组织材料名称 材料名称显微组织 显微组织腐 蚀 剂 腐 蚀 剂放大倍数 放大倍数6、球墨铸铁的铸态组织材料名称 材料名称显微组织 显微组织腐 蚀 剂 腐 蚀 剂放大倍数 放大倍数7、碳素铸钢的铸态粗晶材料名称 材料名称显微组织 显微组织腐 蚀 剂 腐 蚀 剂放大倍数 放大倍数8、碳素铸钢的魏氏组织材料名称 材料名称显微组织 显微组织腐 蚀 剂 腐 蚀 剂放大倍数 放大倍数9、碳素铸钢热处理后组织材料名称 材料名称显微组织 显微组织腐 蚀 剂 腐 蚀 剂放大倍数 放大倍数10、高锰钢的铸态组织材料名称 材料名称显微组织 显微组织腐 蚀 剂 腐 蚀 剂放大倍数 放大倍数11、高锰钢热处理

21、后组织材料名称 材料名称显微组织 显微组织腐 蚀 剂 腐 蚀 剂放大倍数 放大倍数材料名称 材料名称显微组织 显微组织腐 蚀 剂 腐 蚀 剂放大倍数 放大倍数四、回答问题：1、灰铸铁中各种不同类型石墨的形成条件和对铸铁机械性能的影响？2、碳素铸钢中魏氏组织的形成？影响因素？如何消除？3、高猛钢中猛的作用？为什么高锰钢在冲击条件下具有很高的耐磨性？实验二 铝-硅合金变质处理及金相组织观察 2学时一、实验目的1、了解Al-Si合金熔炼、变质处理的工艺操作。2、了解铝合金的金相试样制备。3、鉴别Al-Si合金变质前、后的金相组织。4、了解Al-Si合金成分、组织、变质处理和性能之间的关系。二、提 要

22、1、Al-Si合金变质处理：Al-Si合金随着含Si量的增加，共晶体随之增加，虽然铸造性能获得改善，但组织中出现针状的共晶Si，甚至出现粗大的多角形板状初晶Si，严重地割裂了金属基体；在Si相的尖端和棱角处引起应力集中，合金容易沿晶粒的边界处，或者板状Si本身开裂而形成裂纹，使合金变脆，机械性能特别是伸长率显著降低，切削加工性能也不好。因此，此类合金当含Si量高于6%时，就要进行变质处理。对于Si量较高（6%8Si）的Al-Si合金，影响合金组织性能的主要因素是（）共晶体和初晶硅。如果不经变质处理，单纯靠加入细化固溶体的元素来改善共晶体中（-Al）的形状和粒度，往往收效甚微。所以对Al-Si类

23、共晶型合金，应强调共晶体（）的变质处理。2、共晶体的变质：共晶成分的合金组织，通过加入Na（钠）或Na盐变质处理，由原来的粗片状共晶体（）基体上分布着少量多角形初晶Si的组织，变为由树枝晶状的 固溶体和（）共晶体组成的亚共晶组织，共晶体中的Si也变为细粒状。由于组织的显著变化，合金的室温机械性能特别是伸长率得到很大的提高，切削加工性能也有明显改善。3、变质的方法及效果：能对铝硅合金中共晶硅起到变质作用的元素有多种，其中变质作用最为显著、在生产上应用最为广泛的是NaF 25，NaCI 62，KC13。NaF起变质作用，NaCI和 KCI是助溶作用。变质剂与铝液接触后，产生下列反应： 6NaFAINa3AlF6十3NaNa进入铝液后即起变质作用。在变质剂成分中，只有Na能起变质作用，NaCI、KCI本身不能起变质作用，它们的作用是与NaF组成混合盐降低熔点，有利子上述反应的进行。如 NaF的熔点 992，加入一定量的NaCI、KCI而组成的三元变质剂，熔点明显下降。在一般变质温度（750800）下，处于熔融状态能促使上述反应的进行，从而提高变质的速度和效果。此外，液态变质剂容易在液面形成一层连续的覆盖层，提高变质剂的覆盖效果。三、设备、仪器、