组长：高伟 组员：金哲 胡艳 张蕾 李孟桓 王侃麟 范铸贤

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1 组长：高伟 组员：金哲 胡艳 张蕾 李孟桓 王侃麟 范铸贤
二元合金的制备与显微组织分析 组长：高伟 组员：金哲 胡艳 张蕾 李孟桓 王侃麟 范铸贤

2 实验目的 1 了解铸造铝合金配制，熔炼过程，二元合金样品的制备，工艺设计及显微组织分析的技术和方法，提高学生的实验综合能力。
2 学会应用二元相图，分析各种二元合金平衡或非平衡组织的形成过程。 3 熟悉典型Al-Si合金的二元相图，了解含硅量及凝固速度的变化对组织和性能影响。 4 初步掌握铸造铝硅合金的熔炼、浇注、试样制备及观察显微组织等方法。

3 实验原理 Al-Si合金以硅为主要合金元素的合金，所示为Al-Si二元相图。Al-Si二元系共晶成分含Si 11.6%，通常将含Si 10%~13%的合金视为共晶合金，含Si 4%~10%的合金视为亚共晶合金，含Si 14%以上的合金视为过共晶合金。Al-Si系合金具有优良的铸造性能(流动性能好，气密性好，收缩率小和抗热裂倾向小)经过变质和热处理之后，具有良好的力学性能(强度高)、物理性能(热膨胀系数小)、耐蚀性和耐磨性，是铸造合金中用途最广，品种最多的一类合金。

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5 硅合金元素的作用 硅是大部分铸造合金的主要元素，硅同铝生成含11.6%硅的共晶体，加入硅可以提高流动性，改善铸造性能，提高补缩性和抭热裂性。富硅相是硬度较高的。所以合金的硬度随着硅含量的增加而增加，但是却降低塑性和切削加工性。 共晶铝硅合金结晶温度范围小，在一定的浇注温度下流动性很好，凝固时形成集中的缩孔，这类合金适用于薄壁件。亚共晶铝合金适用于高强度铸件，过共晶合金组织中有大量块状初生硅，切削加工性差，但是这类合金红膨胀系数小，耐磨且抗热裂性好，主要用于制造活塞等耐磨件。

6 熔炼 铝合金的熔炼是铝铸件生产过程中的一个重要环节，它包括选择熔炼设备和工具，炉料处理与配比计算以及控制熔炼工艺过程。 A 熔炼炉与坩埚
铝合金以及其它铸造有色合金熔炼中的问题是元素氧化烧损量大，合金液吸气量多。因此熔炼炉应保证金属炉料快速熔化，缩短熔炼时间，以减少合金元素烧损和吸气；降低燃料、电能消耗；延长炉龄。常用的熔炼炉有：电阻坩埚炉、电阻反射炉、中频炉、焦炭坩埚炉、油坩埚炉等。 B 坩埚 熔炼铝合金的坩埚有铸铁，铸钢(材质多为含铬耐热铸铁或中硅耐热球铁)坩埚和石墨坩埚两种

7 助剂 覆盖剂――用来覆盖于合金液体表面，防止合金氧化和吸气。主要有氯化钾氯化钠，氟化钙等组成的覆盖剂
精炼剂――用来清除合金液中所含的气体和氧化物夹杂等。铝合金熔炼常用的精炼剂有：氯化锌，六氯乙烷，氯气，氮气及由氯化钠，氯化钾，冰晶石等组成的精炼剂。 变质剂—指在金属液体中加入少量的添加剂，使金属或合金的结晶组织和性能发生明显的改善的工艺操作。常用的变质元素有：钠，锆，锶，鉍，锑，镧、磷等。

8 铝－硅合金机械性能与铸件 a－砂型铸件 b－金属型铸件 c－高硅含量铸件

9 实验步骤 1. 参观铝锭的浇注过程，了解不同种模（砂模、金属模）的浇注和凝固以及不同浇注条件对铝锭组织的影响。对不同成分、不同条件、冷却方式下的浇注结果加以了解与认识。 2. 显微观察室温下不同Fe-C合金组织的金相。 制备金相观察样品：A.切割:样品长度合适（3-4cm），固定，放下盖子，旋转急停按钮，按start ，操作（匀速拉杆），按急停按钮，拉杆推上，开盖，取出样品。B.镶嵌: 放试样，中心位置，加粉（phenolic powder, 1-1.5勺）,升降台下，旋转盖子，压紧，开始：压力2400 psi ，per-heating 5-6min , heat 3min ,cool 1min. 开盖，上升，取出试样，刻标号。

10 4. 磨制与抛光：各种成分Al-Si合金相片：1. 纯铝 2. 亚共晶金属模 3. 102精制砂模 4. 102精制金属模 5
试样上中部套橡皮圈，放好，160转每分钟，1号盘，金刚石砂纸，喷水，去划痕；2号盘，600目水砂纸，喷水，去划痕；3，4，5 抛光，喷抛光液，其中分别对应9um,3um,0.05um 砂纸。每次磨完，冲洗，使研磨液去净，再用超声波清洗，烘干，进入下一步。 5．侵蚀：试样用酒精清洗，吹干，在氢氟酸中浸泡约10s，用水冲干净（氢氟酸有害，用夹子取试样），再用酒精洗，吹干。 6. 观察所制得的金相样品：试样固定在橡皮泥上，放在金相显微镜下，先50倍镜头，调节准焦螺旋，先粗后细，清晰后换500倍镜头，再调，找到合适区域拍照。（由于氢氟酸挥发，对镜头有害，最好不要腐蚀完了马上去拍照）

11 不同成分Al-Si合金在不同冷却条件下组织形成过程分析
由Al-Si相图可知，w（Si）≤1.65%时：发生固溶转变，液相随温度降低，析出α固溶体，温度继续降低直至全部液相转变为α-固溶体，最后阶段Si在α-固溶体中过饱和，多余的si从固溶体中析出。冷却过程为：L→L+α→α→α+β。当快速冷却时产生非平衡共晶组织。 1.65%≤ W（si）﹤11.6%时，发生亚共晶转变，冷却过程为 L→L+α→（α+β）共+βⅡ，快冷时产生部分伪共晶。 W（Si）=11.6%时，发生共晶转变，共晶反应为L→α+β，在共晶温度以下，α、β各自沿溶解度曲线析出二次α、β，冷却过程为L→α+β→（α+β）共+αⅡ+βⅡ。 11.6%≤w(Si) ﹤98%时，过共晶反应，冷却过程为L→L+β→β+（α+β）共+αⅡ

12 在用Al-Si合金中，共晶成分的Al-Si合金在快冷条件下得到的组织不是共晶组织，而是亚共晶组织；而过共晶成分的合金则可能得到共晶组织或亚共晶组织，这种异常现象通过下图所示的伪共晶区的配置不难解释了。

13 纯铝 铸态，金属模，氢氟酸腐蚀，500× 组织：纯铝
纯铝的组织单一，故而压力加工性能好，但是它的流动性很差，铸造过程中需要从不同的冒口补缩，图中很明显，同其他图比较，有大量的分散缩孔，这对于它的综合性能很不利。

14 亚共晶金属模 铸态，金属模，氢氟酸腐蚀，500× 组织：铝的先析出相+共晶组织
图中有树枝晶，是明显的金属结晶，为铝的先析出相，分布在共晶组织之间，亚共晶铝合金适用于高强度铸件，由于加入硅可以提高流动性，改善铸造性能，提高补缩性和抭热裂性，亚共晶中硅比共晶少，故而流动性不如共晶好，缩孔较多，但是却由于铝较多，提高了塑性和切削加工性。

15 102精制砂模 铸态，砂模，氢氟酸腐蚀，500× 组织：共晶
图中为共晶组织，为两相交替的针状组织，共晶的流动性好，所以缩孔不多，比较金属模和砂模，由于砂模的冷却速度比金属模慢，所以从整体上说，金属模更倾向于柱状晶，砂模更倾向于等轴晶，柱状晶组织更为致密，但是晶区交界面较为脆弱，且易富集杂质，等轴晶晶粒相互咬合，裂纹不易扩散，但致密度不如柱状晶，从图上也可看出，金属模的组织比砂模更均匀细密。

16 102精制金属模 铸态，金属模，氢氟酸腐蚀，500× 组织：共晶
铸造时加了精炼剂，用来清除合金液中所含的气体和氧化物夹杂等。铝合金熔炼常用的精炼剂有：氯化锌，六氯乙烷，氯气，氮气及由氯化钠，氯化钾，冰晶石等组成的精炼剂。 图中从理论上应该只有均匀的共晶组织，为两相交替生长的针状组织，图中的大部分区域也确实如此，实际上由于成分配比和动态过冷有极微量的硅的初生相，为深色的较为规则的多边形，但总的来说比过共晶少得多，图中的缩孔是铸造留下的，由于共晶成分的流动性好，缩孔集中，总体上缩孔并不多。

17 102变质处理金属模 铸态，变质剂，金属模，氢氟酸腐蚀，500× 组织：共晶
铸造过程中加了变质剂—指在金属液体中加入少量的添加剂，使金属或合金的结晶组织和性能发生明显的改善的工艺操作。常用的变质元素有：钠，锆，锶，鉍，锑，镧、磷等。很明显，加入变质剂后，这里的共晶组织比不加变质剂的更为均匀，没有明显的初生相和两相交替的针状组织，因此有更好的力学性能 。但是似乎缩孔数量比上图中多，可能是铸造过程中加变质剂后，搅拌不足，气泡没有充分的排出。

18 过共晶金属模 铸态，金属模，氢氟酸腐蚀，500× 组织：硅的初生相+共晶组织
硅是高熔点物质，它的初生相是深色规则多边形，分布在共晶组织之间，由于过共晶合金组织中有大量块状初生硅，切削加工性差，但是这类合金红膨胀系数小，耐磨且抗热裂性好，主要用于制造活塞等耐磨件。过共晶成分中硅含量比共晶多，所以它的流动性比共晶成分好，故而缩孔比共晶少。

19 实验小结 经过本次试验，基本了解了铸造铝合金的流程，金相样品的制备方法。 通过实验将理论与实际结合起来，对所学的知识理解更深刻。
实验中用到了自动化的仪器，磨制与抛光都是机器完成的，成为不小的遗憾。