实验四、铝硅合金熔铸及变质处理
（铝硅合金熔炼与铸造）
一、实验目的：
1、了解及学习合金的熔铸全过程； 2、掌握铝硅合金的变质处理； 二、实验说明：
在铸造合金中，以Ai—Si共晶为基的合金是最常用的，这主要是因为铸造性能好，硅在结晶时象石墨一样体积是膨胀的，收缩小，降低了铸件的热裂倾向，此外线膨胀系数很低， 导热性好，广泛用于制造内燃机和压缩机的活塞。并且经过变质处理以后，可以提高强度和韧性。
三、实验内容：
铝硅合金是应用最广泛的一种铸造合金，常称为硅铝明，典型牌号为ZL102、含硅12—13％，从Ai—Si合金相图可知，其成分在共晶点附近，而具有良好的铸造性能。当硅含量大于共晶成分时，铸造后得到的组织为粗大的针状硅和α固溶体所组成的共晶体及少量呈多面体的初生硅晶体组成。共晶组织中粗大的针状硅晶体极脆，而严重地降低了合金的塑性，为了改善合金的性能，可采用变质处理。即再浇注前加入占合金总量2—3％变质剂（常用的变质剂为2∕3NaF+1∕3NCl的混合物）。由于钠能促进硅的形核，并能吸附在硅的周围阻碍硅晶体的张大，使合金组织细化。同时使合金的共晶点右移，而使原成分合金变为亚共晶，使变质后的合金组织成为初生α固溶体和细蜜共晶体（α+Si）组成。由于共晶体中硅的细化，而使合金的塑性显著改变。
四、实验程序； 加入硅 ↘
1、配料→熔化金属铝→（750℃—780℃）→待硅熔化后进行搅拌→静置2分钟后→进行浇注。
加入硅 加入变质剂
↘ ↘
2、配料→熔化金属铝→（750℃—780℃）→待硅熔化后→进行搅拌→静置2分钟后→进行
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浇注。
注意：当硅加到铝液中后，为防止硅的氧化保证合金成分硅不能露在铝液表面。熔化后的铝液温度要严格控制不能太低也不能太高，太低硅熔化缓慢，太高加入的合金硅易烧毁氧化。有必要时可加入冰晶石粉进行覆盖。 五、实验任务与要求：
1、简述铝硅合金成分设计的要求、实验步骤， 2、简述铝硅合金熔炼时应注意些什么？
（铝硅合金的样品制备、组织分析及摄照）
一、实验目的：
1、再次学习金相样品制备及显微照相；
2、学会分析铝硅合金变质前后显微组织特征及对性能的影响； 二、实验说明：
金相样品制备及显微照相是金相组织分析、检验必不可少重要步骤及手段，需多次进行学习及训练。本次金相样品制备从铸造后的材料开始，经锯、粗磨、细磨、抛光、水洗、浸蚀后进行金相组织摄照、分析。
三、实验内容及程序
将铸造后的试件锯成2—3段，以前大家已经进行过金相样品制备及显微组织照相，在这里就不再作详细介绍，只对未变质及经变质后的铝硅合金金相组织，进行组织分析及说明对性能的影响
（1）、未经变质处理的组织：粗大的针状硅和α固溶体所组成的共晶体及少量呈多面体的初生硅晶体。即（α+Si针状）共晶体+Si块。由于共晶组织中粗大的针状硅晶体极脆，而严重地降低了合金的塑性。 （2）、经变质处理的组织：初生α固溶体和细蜜共晶体，即α+（α+Si点状）共晶体
变质后的合金组织成为初生α固溶体和细蜜共晶体（α+Si）组成。由于共晶体中硅的细化，而使合金的塑性显著改变，从而改变提高了合金整体的强韧性。
四、实验任务与要求：
1、 按实验程序进行金相样品制备，摄照铝硅合金变质前后的金相组织照片，。 2、 根据金相照片组织分析工艺、组织、性能之间的关系。
实验五、常用有色金属材料组织观察及分析
一、实验目的：
1、 观察及研究常用的几种有色合金材料的显微组织的特征。
2、 了解及掌握它们铸造、加工、热处理状态下组织及性能之间的关系。 二、实验说明：
这里主要介绍铜合金、铝合金及轴承合金，它们的应用也较广泛有必要进行深的了解。 三、实验内容： （二）、铝合金：
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1、 铝合金介绍：
铝合金分为铸造铝合金及变形铝合金两大类，而铝合金又可分为可热处理强化的铝合金和不能热处理强化的铝合金。 （1）、铸造铝合金有Ai—Si、Ai—Cu、Ai—Mg、Ai—Zn、Ai—Re等，铸造铝合金主要以铝硅合金为主，上一个实验已做就不再作介绍。 （2）、变形铝合金有防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝。硬铝是工业中应用最早最多的一类可热处理强化的铝合金。属于Ai—Cu—Mg系合金，铜和镁除溶如铝中外，多余的则形成金属间化合物CuAi2（θ相）和Ai2CuMg（S相）和Ai6CuMg4（T相）等。这些化合物在固溶处理时，可溶入基体α固溶体中，在时效过程中又重新弥散析出，使合金强化。LY11和LY12是硬铝合金中应用最广的两个牌号。LY11合金的主要强化相是θ相，其次是S相。而LY12合金的主要强化相是S相，其次是θ相。LC4是超硬铝合金，属于Ai—Zn—Mg—Cu系合金，锌和镁是合金的主要强化元素， 再合金中形成强化相η（MgZn2）和T（Ai2Mg3Zn3）。它们在铝中有很大的溶解度，时效后具有显著的强化效果，合金强度可超过硬铝。是目前铝合金中强度最高的一类。硬铝及超硬铝的主要缺点是抗蚀性差，为了提高抗蚀性能，一般板面要有包铝层。
2、 铝合金的热处理：
常用铝合金的热处理工艺为：退火、固溶处理（淬火）、时效等。 （1）、扩散退火：为消除合金铸锭的或铸件的成分偏析及非平衡组织，消除应力，提高塑性，必须进行扩散退火。通常加热到固相线以下10—30℃，长时间保温，然后空冷或炉冷。LY12加热到475—495℃保温4—12小时后炉冷。 （2）、再结晶退火：
经过加工变形的合金，加热到再结晶温度以上，随后空冷，主要是消除加工硬化，改善组织增加塑性。对能热处理强化的铝合金，退火时应严格控制冷却速度。若冷得太快，强化相来不及析出，形成局部淬火态，不利于加工及形变。如LY12合金，退火工艺应为：400—450℃加热保温1.5—3小时，以不大于30℃/小时的冷却速度，冷到室温，然后空冷。 （3）、低温退火：
加热到180—300℃，保温后空冷，主要是消除应力，使合金部分发生软化。 （4）、固溶处理和时效：
把合金加热到溶解度线以下，保温一定时间，随后迅速冷却，得到过饱和的固溶体组织。例如LY12， 三相共晶温度为506℃。它的固溶处理温度为495—503℃，决不能超过上限温度防止过烧。加热温度低时，溶入的元素少，会降低时效效果。所以固溶处理的加热温要严格加以控制，温度波动范围不能超过±5℃。现以Ai—Cu4合金为例来分析合金的时效过程：先把合金加热到固相线以下10—30℃，保温后迅速冷却得到过饱和的α固溶体，这种α固的GP（1）区—富集有序化GP（2）区—形成过度相θ′—析出稳定相θ。其中以GP（2）区强化效果最大，GP（1）区及θ′强化效果较小。一旦出现平衡相θ相会使合金的强度下降。 （三）、铜合金： 1、 铜合金简介；
最常用的铜合金有黄铜及青铜（锡青铜、铍青铜、铝青铜等） （1）、黄铜（Cu—Zn合金）： 由相图（5—1）可知Zn＜39%的黄铜组织为单相的α固溶体，称为单相黄铜或α黄铜，单相黄铜H70经变形退火后，其α晶粒呈多边形的块状组织，并存在大量的退火孪晶。单相黄铜具有良好的塑性，可进行各种冷变形。含量在39—45%的Zn的黄铜，具有α+β′两相组织，
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被称为双相黄铜。从图（5—2）可知双相黄铜H62的显微组织中α呈白亮色，βˊ为黑色。βˊ相是以CuZn电子化合物为基础的有序固溶体。再较低温度下较硬较脆，但在高温下有较好的塑性，所以双相黄铜只能进行热加工。 （2）、青铜（Cu—Sn合金）：
本小结主要介绍锡青铜，常用的锡青铜为含Sn10%的铸造锡青铜。由相图（5—3）可见Cn—Sn合金结晶间隔很宽，故易于偏析。而且锡在铜中扩散很困难，因此锡青铜的实际组织与相图上的平衡组织相差很大。按相图上δ相（Cu31Sn8）在350℃时应分解为（α+ε）的共析体，但实际上δ相的分解需要在极缓慢的冷却速度下才能进行，所以铸态没有ε相出现。随着含锡量的不同，锡青铜组织可分解为α及（α+δ）共析体两类。α固溶体塑性好，δ相是复杂立方晶格的Cu31Sn8化合物，性能硬而脆。含Sn＜5%的 锡青铜铸态组织为树枝状的单相α固溶体，经均匀化退火后得到单相多边形α固溶体，具有良好的塑性。加工及形变退火后，得到多边形的α固溶体，并具有孪晶。含Sn＜5%的 锡青铜铸态组织含Sn＜6—7%的 锡青铜铸态组织旧会出现（α+δ）共析体。常用的QSn10轴瓦合金铸态组织为书树枝的α固溶体及（α+δ）共析体。 （四）、轴承合金： 1、 轴承合金简介；
锡基巴氏合金和铅基巴氏合金是最早使用的轴承合金，现在仍广泛使用。从组织上看它们都有一个共同的特点，再软基体上分布着硬质点。硬质点主要支撑负荷，软基体主要保证镶藏性和顺应性的要求。 （1）、锡基巴氏合金是轴承合金中应用最多的一种巴氏合金。它含锡83%，含锑11%，含铜6%。按照Sn—Sb相图（5—4）合金组织中主要有以Sb溶于Sn中的α固溶体为软基体和以Sn—Sb为基的有系固溶体β′相为硬质点。为了消除由于β′相比重小易上浮所造成的比重偏析，再合金中加入6%的Cu形成Cu3Sn或Cu6Sn5的化合物，这些化合物再合金冷却时最先结晶成树枝状晶体，能阻止βˊ的上浮而获得较均匀的组织。例如ZChSnSb11—6合金的显微组织，暗黑色基体为软的α相，白色方块为硬的βˊ相，而白色枝状及点状则为Cu3Sn及Cu6Sn5，它们其到硬质点的作用。这种软基体硬质点的混合组织能保证轴承合金具有必要的强度、塑性、韧性、镶藏性和顺应性，以及良好的抗震性及减磨性等。
2、铅基轴承合金
铅基轴承合金中最常用的是ChPbSb16-16-1.8合金。工业上常用的铅基轴承合金中，通常在以Pb-Sb为基的合金中加入铜、锡等元素，铜的加入主要是为了消除铅基合金的严重比重偏析，同时也提高合金的耐磨性；锡的加入是为提高合金的室温硬度。常用的铅基轴承合金中其锑含量大约在14-17%范围内，从Pb-Sb状态图（图4-2）可知，其室温组织是由初生β相硬质点和（α+β）共晶软基体组成。在显微组织中，白色方块为β（SnSb）相，软基体体为（α+β）共晶体，白色针状晶体为化合物η（Cu3Sn和Cu2Sb）。
含碳量大于2.06%的铁碳合金称为铸铁。根据碳在铸铁中存在的形态不同，根据处铁通理条件与石墨形态不同，铸常可分为以下几类：
3、白口铸铁：
白口铸铁的碳以结合态（渗碳体的形式）存在，断口呈银白色。其组织特征是没有石墨而有莱氏体组织。根据含碳量可将白口铸铁分为亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁。
（1） 亚共晶白口铸铁：
含碳量大于2.06，小于4.30%的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁，其显微组织含有由初生树枝状的奥氏体转变成的珠光体、共晶莱氏体及二次渗碳体。再显微镜下看到的暗黑色树枝状的为珠光体，白底上分布细小暗黑色的散粒状的为莱氏体，而二次渗碳体则与莱氏体中的渗碳体相互混杂，而难于分辨。
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（2）、共晶白口铸铁：
含碳量等于4.30%的白口铸铁称为共晶白口铸铁，其显微组织为100%的莱氏体，它是渗碳体与珠光体的机械混合物，其中黑色细点状是珠光体，而白色的基体为渗碳体。
（3）、过晶白口铸铁：
含碳量大于4.30%的白口铸铁称为过共晶白口铸铁，其显微组织由一次渗碳体和莱氏体组成。其中粗大的白亮条状为一次渗碳体，白底上分布细小暗黑色的散粒状的为莱氏体。
1、 灰口铸铁：
灰口铸铁中的碳以游离状态（石墨）存在，断口呈灰色。其组织由金属基体和无方向分布的片状石墨组成。金属基体可以是铁素体、珠光体及珠光体加铁素体的混合基体三种。石墨在未经浸蚀的试样即可观察到，而基体则需用2—4%的硝酸酒精浸蚀才能识别。
2、 麻口铸铁：铸铁在结晶过程，由于受到冷却条件的影响，使其具有灰口铸铁和白口铸铁的组织特征，其组织中具有石墨又有莱氏体。
3、 球墨铸铁：
球墨铸铁中的碳同样以游离状态存在，但石墨呈球状分布，组织是由金属基体和球状石墨组成。金属基体同样是铁素体、珠光体及铁素体加珠光体三种。
4、 可锻铸铁：
可锻铸铁也称马铁或展性铸铁，它是由白口铸铁经可锻化退火而得到，石墨呈团絮状。金属基体同样是铁素体、珠光体及铁素体加珠光体三种。
此外，随着工农业生产的各种不同需求，结合各地资源特点，还有各种合金铸铁。例如：耐磨铸铁、耐热铸铁和耐腐蚀铸铁等。
铸铁中，如果含磷较高，磷常以Fe3P的形态与铁素体和渗碳体形成硬而脆的磷共晶，磷共晶熔点低，常沿晶界呈连续网状或断续网状分布。磷共晶主要有三种类型：
a、二元磷共晶：其特征是在Fe3P的基体上分布着粒状的奥氏体产物。
b、三元磷共晶：其特征是在Fe3P的基体上分布着成规则排列的奥氏体分解产物，颗粒状、细条状的渗碳体。
C、复合磷共晶：其特征是在二元及三元磷共晶的基体上镶有条状渗碳体。
铸铁的金相评级标准可参考部标。通常 石墨按形状、大小、分布进行评级，放大倍数为100倍；金属基体评级，放大400—500倍；磷共晶评级，放大100或500倍。
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四、验内容及要求：
1、 明确本次实验目的，仔细认真观察全套金相样品。 2、 绘出单相和双相黄铜的显微组织，并说明异同点。
3、 绘出ZChSnSb11—6合金的显微组织，分析说明组织性能的特点。 4、 绘出铸铁的显微组织。
5、绘出高速钢的1280℃淬火560℃三次回火的显微组织。 6、本实验的体会
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