6班-铝硅合金的细化和变质处理实验报告

1．实验目的1)熟悉铸造铝硅合金的熔炼、精炼、细化和变质处理的过程；2)掌握铸造铝硅合金精炼、细化和编制处理的基本原理及方法；3)掌握细化剂和变质剂对铸造铝硅合金的影响。

2．实验内容1)对熔融的Al-7Si合金进行细化处理；2)对熔融的Al-7Si合金进行变质处理；3)在光学显微镜下观察，评价合金的细化和变质处理效果。

3．实验原理3.1 铝硅合金晶粒细化技术及其机理铸造铝合金铸态时通常呈现三种不同的晶粒状态：等轴晶、柱状晶和枝状晶。

有目的地一直柱状晶和枝状晶生长，促进细小等轴晶形成，这种工艺过程就叫做晶粒细化处理。

晶粒细化是通过控制晶体的形核和长大来实现的。

细化处理的最基本原理是促进形核，抑制长大。

而形核质点主要有两种来源：一是包括快速凝固法、动力学方法和成分过冷法等的内生形核质点，二是向熔体中添加晶粒细化剂的外来形核质点。

目前，添加细化剂成为生产过程中最有效、最实用的方法。

对于铝硅合金，通常将细化元素Ti、B以中间合金的形式加入熔体来实现晶粒的细化。

3.2 铝硅合金变质处理技术及其机理铝硅合金中，由于Si相在自然生长条件下会长成块状或片状的脆性相，严重的割裂基体，降低合金的强度和塑性，因而必须采用变质处理工艺，使共晶硅形貌发生变化，提高合金性能。

4．实验步骤1)在两个Al2O3坩埚中分别加入1000g的铝硅合金原料，在电阻炉中升温至720℃，溶化后保温1小时以促进成分的均匀化；2)对精炼处理后的Al-7Si合金教主一组试样；3)向一个坩埚中加入0.03%的B进行晶粒细化处理；4)向另一个坩埚中加入0.03%的Sr进行变质处理；5)1-2人为一组，每个20-30分钟以组为单位浇注试样，为充分观察细化和变质处理的孕育期和衰退期，应至少浇注4组试样；6)对各组试样进行处理，在光学显微镜下观察，评价合金的变质效果，观察晶粒尺寸。

5．实验结果分析5.1 晶粒细化效果分析将实验分成三个实验组，第1组为未加细化剂处理的原料铸型，第2组为加入细化剂处理20min后的原料铸型，第3组为加入细化剂处理40min后的原料铸型。

将得到的试样分别进行切割、粗磨、细磨、抛光处理，在光学显微镜下观察材料组织的尺寸，并进行拍照，所得图像见图5.1。

(a)未加细化剂处理的铝硅合金显微组织(b)细化剂处理20min后，铝硅合金的显微组织(c)细化剂处理40min后，的铝硅合金的显微组织图5.1 铝硅合金晶粒细化处理显微组织对比对比上面三幅图片可以明显的发现，随着处理时间的增长，铝硅合金的平均晶粒尺寸明显成降低趋势，未经过细化处理的合金晶粒尺寸十分粗大，最长的树枝状晶粒长度可达1mm 左右；而经过晶粒细化处理40min后的晶粒尺寸显著减小，大约在0.3-0.4mm范围左右，由此可以看出细化处理明显的效果。

5.2 变质处理效果分析将实验分成三个实验组，第1组为未加变质剂处理的原料铸型，第2组为加入变质剂处理20min后的原料铸型，第3组为加入变质剂处理40min后的原料铸型。

将得到的试样分别进行切割、粗磨、细磨、抛光处理，在光学显微镜下观察材料组织的尺寸，并进行拍照，所得图像见图5.2。

(a)未加变质剂处理的铝硅合金显微组织(b)变质剂处理20min后，铝硅合金的显微组织(c)变质剂处理40min后，铝硅合金的显微组织图5.2 铝硅合金晶粒变质处理显微组织对比观察显微图像，其中图中白色部分为初生的α-Al，在初生的α-Al之间黑白相间的部分为共晶的Si和Al，在未经过变质处理的组织中，共晶Si成条状，尺寸较长，而在经过变质处理后的组织中，共晶硅在平面内呈比较细密的颗粒状，并且随处理时间的增长，颗粒尺寸减小。

由此可以看出变质处理的效果。

5.3 相图分析根据Al-Si二元合金相图，我们可以做出Al-7Si在冷却凝固过程中的理论冷却曲线，见图5.3.1图5.3.1 Al-7Si冷却过程理论冷却曲线实际冷却过程的温度曲线与理论曲线有一些比较明显的差别，对比情况如图5.3.2。

图5.3.1 Al-7Si冷却过程理论冷却曲线图中，蓝色曲线为实测冷却曲线，由图线可以看出以下几点与理论曲线的不同点：1)共晶反应温度比理论值低；2)冷却过程中，在共晶反应开始时，温度有一个小范围的升高；3)图线第一个拐点温度比理论温度低。

根据实际凝固过程分析理论曲线与实际曲线的差别，首先晶体形核过程需要一定的过冷度，在一定的能量条件下，液态金属中才能形成稳定的形核核心，进而继续长大形成晶格，由此可以解释图线中第一个拐点温度较低和共晶反应温度较理论值较低两个现象。

另外，在共晶反应的过程中，液体凝固形成固体，凝固过程放热，这一部分放出的热量在共晶反应刚开始的阶段超过了液体冷却的散热，所以在图线上显示为温度有微小的上升（大概2-3℃）。

在原料铸型进行变质处理后，其冷却曲线与实际曲线又有一个明显的差别：共晶反应温度更低。

这是由于在共晶反应过程中，由于加入了变质剂，其中的Sr在Si的生长方向上附着，阻碍Si沿原有方向继续生长，而是改变生长方向，从而达到破坏大面积层片状共晶Si 的形成。

而这种长大过程相对于未经处理的共晶反应中的长大过程需要更大的过冷度，因此，此时的共晶反应温度更低。

在原料铸型进行细化处理后，其冷却曲线与实际曲线也有一个明显的差别：拐点温度较高。

这是由于加入细化剂处理后，液体中存在很多异质形核的核心，使得形核不需要很高的过冷度，更加容易发生。

因此析出初生的α-Al的温度较高。

5.4 讨论通过观察显微组织我们发现，加入细化剂的两组试样不仅有明显的细化效果，而且有十分明显的变质效果，经过我们的观察和分析，我们认为在实验中加入的细化剂中还含有一定的变质剂。

图5.4.1为经过实验中所用的细化剂处理的原料得到的试样的微观组织。

图5.4.1细化剂处理40min后，铝硅合金的显微组织另外，在冷却曲线上，我们也发现了变质处理过程的特点，综合显微组织形貌和冷却曲线的分析，我们得出了细化剂中可能掺入了一定量的变质剂这样的结论。

6．思考题1)提高铝硅合金的力学性能主要有哪些途径？答：除本文提到的细晶强化方法之外，提高铝硅合金的力学性能还可以通过相变强化的方法，改变合金中Si相的形状和分布可以显著的改变合金的力学性能。

另外，在合金中加入其它合金元素，如Mn，也可以起到改善合金力学性能的作用。

2)Al-7Si合金细化、变质前后的组织和性能有哪些变化？答：合金经过细化、变质处理后，合金的α-Al晶粒尺寸变小，共晶硅由粗大的片状变成细小的纤维状或层片状。

细化和变质处理后，铸件的致密度得到了提高，铸件中气孔、缩孔和夹杂物弥散分布，铸件在凝固过程中的热裂倾向降低，延伸率提高，热处理性能得到了提高。

3)Al-7Si合金细化、变质处理后静止时间长短对合金的组织和性能有哪些影响？答：在本实验中，细化和变质处理的时间越长，处理的效果越好。

细化剂和变质剂在加入到合金熔体后须经历孕育期和衰退期两个时期，若处理时间过短，细化剂与变质剂还未与合金熔体中的元素充分反应，达不到细化和变质的效果；而如果处理的时间过长，细化剂和变质剂可能会在高温条件下挥发或者在合金熔体中沉底，同样达不到处理的效果。

本实验中处理时间为40min，此时应该处于孕育期，所以处理效果随时间的增长而越来越好。

4)Al-7Si合金在砂型铸造时变质有效期长达6-8h，但在本实验中的变质有效时间却大为缩短，试根据实验过程分析其中可能的原因。

答：有效时间缩短的原因可能有以下两点：一是由于变质剂加入量相对工业生产应用的量小很多，所以不需要太长的反应时间；二是由于浇注的铸型形状简单、尺寸较小、浇筑时间很短，凝固过程迅速，所以也不能有太长的变质时间。

5)Al-7Si合金中形成气孔的气体主要为什么气体，合金中的气体是怎样形成的？工业上常用的除气方法有哪些？能否说出各自的优缺点？答：在铝合金熔体中可能存在有氢、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等气体。

在这些气体中，氢的原子结构简单，半径小，在正常熔炼条件下显著溶解。

所以，铝熔体中存在的主要气体是氢气，它大约占整个气体含量的70%-90%。

氢在铝合金中的溶解是按“吸附-扩散-溶解”三个连续的过程进行的。

首先，炉气或大气中的氢撞到金属表面，在金属表面凝聚并离解为原子。

之后吸附在表面的氢会在分压差的作用下向金属内部扩散。

随着扩散过程的进行，氢以原子-离子状态溶入铝液中。

以铝硅合金为例，工业常用的除气方法有吸附精炼和非吸附精炼两大类除气方法。

吸附精炼是指通过铝熔体直接与吸附剂相接触，使吸附剂与熔体中的气体发生作用，从而达到除气的作用，包括吹气精炼、氯盐精炼、溶剂精炼、熔体过滤等；非吸附精炼是指不依靠在熔体中加入吸附剂，而通过某种物理作用使气体从铝熔体中分离出来的方法，包括静置处理、真空处理、超声波处理、预凝固处理等。

7．实验总结这个实验对我们运用理论知识分析问题的能力和操作实验仪器的能力起到了很重要的锻炼作用。

其中铝合金的凝固过程需要运用二元合金相图的分析方法以及冷却曲线的相关知识分析它的冷却过程和成分组成，这需要调用我们学过的工程材料部分的相关知识。

此外在分析理论曲线和实测曲线之间的差别的时候，也运用了很多工程材料基础的知识。

这些知识在我们上课过程中都掌握的比较好，但只是停留在书本上，真正应用它解决实际问题还是第一回。

这样的过程帮助我们对所学过的知识和要点有了更进一步的认识和理解。

另外，实验技能的锻炼也是这个实验的重要组成部分。

在这个实验中，需要对铸型剖面进行纤维组织观察，这就需要对它进行粗磨、细磨、抛光等一系列处理，而这个能力正是材料实验中非常重要的一部分，以前的一些实验虽然对磨试样这方面的实验技能也有专门的训练，但通过这次实验，我们的这方面的能力得到了更充分的锻炼。

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