《金属熔炼与铸锭》课程实验指导书

1图1具有三个晶区的铸锭晶粒组织示意图纯铝的熔炼与铁模铸锭一、实验目的1、通过纯铝的熔炼与铁模铸锭，了解有色金属熔铸的一般工艺和操作知识。2、观察铝锭横截面的铸造组织形貌，了解形成晶粒组织的三个晶区。3、改变浇铸工艺条件，研究不同的浇铸工艺条件对铸锭晶粒组织的影响。二、实验原理金属和合金的铸锭晶粒组织一般较为粗大，对铸件横断面稍加打磨、抛光和腐蚀，就可直接进行观察。铸锭晶粒组织常见三个晶区形貌如图1所示。（1）表面细等轴晶区当过热金属浇入锭模时，锭模对熔液产生强烈过冷，在模壁附近形成大量的晶核，生长成枝状细等轴晶。同时，浇铸引起的动量对流，液体内外温差引起的热对流，以及由对流引起的温度起伏，促使模壁上形成的晶粒脱落和游离，增加凝固区内的晶核数目，因而形成了表面细等轴晶区。（2）柱状晶区在表面细等轴晶区内，生长方向与散热方向平行的晶粒得到优先生长，而与散热方向不平行的晶粒则被抑制。这种竞争生长的结果，使愈往铸锭内部晶粒数目愈少，优先生长的晶粒最后单向生长并互相接触而形成柱状晶区。柱状晶区是在单向导热及顺序凝固条件下形成的。凡能阻止晶体脱离模壁和在固/液界面前沿形核的因素，均有利于扩大柱状晶区。浇铸温度高，固/液界面前沿温度梯度大，凝固区窄，从界面上脱落的枝晶易于被完全熔化。（3）中心等轴晶区柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离模壁，散热困难，冷速变慢，而且熔液中的温差随之减小，这将阻止柱状晶的快速生长，当整个熔液温度降至熔点以下时，熔液中出现许多晶核并沿各个方向长大，就形成中心等轴晶区。形成中心等轴晶区的晶核主要来源于三种途径：表面细等轴晶的游离；枝晶的熔断及游离；液面或凝壳上晶体的沉积。2凡能阻止游离到铸锭中心的晶粒完全熔化的因素，均有利于促进中心等轴晶区的形成。铸锭的结晶过程及其组织与金属的冷却条件、浇铸时熔体的温度、变质处理条件等因素有关。改变金属的浇铸温度对结晶过程有影响作用。当液态金属过热越多时，浇筑后沿铸锭截面的温差越大，越有利于按顺序凝固的方式结晶，形成柱状晶组织。但是过热度太大，非自发核心数目减少，会使晶粒粗大化。通过加入一定数量的变质剂进行变质处理，能够增加结晶时的形核数。因此，在其他条件相同时，添加适量变质剂可以细化晶粒。三、主要仪器及耗材1、坩埚炉、石墨坩埚、坩埚钳、φ25mm钢模、纯铝（99%）；2、弓锯、台钳、砂纸、腐蚀液（硝酸∶盐酸=1∶1）。四、实验内容和步骤实验内容：1、本实验研究不同的浇铸温度和晶粒细化剂对铸锭组织的影响。2、按表1所示的浇铸工艺条件浇铸铝锭。3、观察不同浇铸条件下浇铸的铝锭其横截面的宏观组织，分析浇铸工艺条件对铸锭组织的影响。表1浇铸工艺条件组别模壁材料模子温度（℃）浇铸温度（℃）细化剂1钢室温720—2钢室温920—3钢室温720Al-Ti-B注：晶粒细化剂的添加量为熔体重量的1.5～2‰。实验步骤：1、每组使用一个坩埚炉，将足够量的铝锭装入石墨坩埚并放入炉内。将坩埚炉升温至720℃，保温使之熔化。2、在铝全部熔化后保温15min，确保铝液温度在720℃左右，取出浇铸第一个锭。将坩埚放回炉内，升温至920℃保温15min，再浇铸第二个锭。然后将炉温降至720℃保温15min，向熔体内加入细化剂，搅拌均匀，再浇铸出第三个铸锭。33、待钢模内的铝锭凝固冷却后取出，用钢印在两端打上实验批次编号，以便识别。4、用台钳将铝锭夹住，在中部沿横截面垂直锯开。5、将锯切面用锉刀锉平整，用180号和400号砂纸磨平，再用腐蚀液浸蚀，显示出其横断面的结晶组织。6、用体式显微镜拍摄下铸锭宏观组织图片进行分析、比较，撰写实验报告。五、实验报告要求1、画出铸锭结晶组织示意图。2、分析浇铸工艺条件对铸锭结晶过程和组织的影响。六、实验注意事项1、与熔化后的液态金属接触的所有工模具、原辅材料等，必须事先烘干，去除内含的水分和表面的水汽，避免引起铝液爆炸、飞溅！2、将坩埚夹进、钳出炉子时，必须事先关闭炉子电源，以防漏电伤人。3、铸模在浇铸前应清理干净，用铁丝捆绑固定，平放在铁板上浇铸，并仔细检查有无缝隙，以免漏铝。4、添加细化剂后应使用棒状工具将铝液搅拌均匀。5、浇铸时，如坩埚内液面有浮渣，应使用工具挡渣，以免浮渣流入模内。浇铸过程中应用夹钳抱紧坩埚，快速而平稳地浇铸，保证流柱连续不断流。浇铸末期应注意减速补缩。6、待铸锭完全冷却再用手拿取，以免烫伤手指。铸锭凝固后可用水加速冷却。7、冷却后的铸锭须及时打上编号，避免混料。七、思考题1、铸锭中三个晶区的形成机理是什么？影响三个晶区的形成的因素有哪些？2、实验过程中，随工艺条件的变化，铸锭组织的演变规律是如何的？3、采取哪些工艺措施，将有利于得到细小的等轴晶组织？4铸锭常见缺陷分析一、实验目的1、了解各种铸造废品；2、分析废品产生原因。二、实验原理在有色金属材料生产过程中，约有70%的废品是与铸锭中存在的缺陷有关，铸锭中的缺陷有数十种，学会识别和分析铸锭中的缺陷及其成因，寻求防止或减少缺陷的方法，对提高铸锭和加工产品的质量，具有十分重要的意义。三、实验材料各类铸造废品：疏松、缩孔、气孔、夹杂、冷隔等四、实验要求1、观察，了解铸造废品；2、填写实验报告，分析废品产生原因。