二元合金的制备与显微组织分析

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
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。
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。
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。
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。
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。
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 5.102变质处理金属模 6.过共 晶金属模 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）
二元合金的制备与显微组织分析
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。
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
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。
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。
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。
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。
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
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。 3. 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。
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。
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。