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《凝固原理》

《凝固原理》

实验指导书

芦笙编写

适用专业：

金属材料与工程

江苏科技大学材料科学与工程学院

2006年4月

前言

“凝固原理”是金属材料工程专业学生的一门专业基础选修课，主要介绍金属凝固过程中的基本理论和各种液态金属成型方法的原理和特点，使学生了解与金属凝固、成型相关的理论和工艺方法，并为后续的专业课程打下基础。

通过学习使学生对金属凝固及铸件成型的典型现象、基本概念和凝固控制原理和技术有一定的了解，并能结合材料设计、研究及工程应用中的与凝固相关的现象，进行分析、解决一些实际问题。

课程安排了两个实验，分别为“铸造工艺实验”和“快速凝固实验”，共4学时。

通过实验，使学生对铸造工艺的概念和要求有较深入的了解，并理解快速凝固技术的原理、工艺特点和应用。

实验1：

铸造工艺实验

实验学时：

2

实验类型：

（验证、综合、设计）

实验要求：

（必修、选修）

一、实验目的

通过对汽车飞轮铸件的工艺设计、造型和浇注实验，使学生对了解铸造工对铸件的流动性、成型性和铸件质量的影响，加深对铸造工艺对铸件质量有重要影响的认识。

通过动手参与实验，能对铸造工艺进行简单的分析，为今后从事金属凝固或铸造工作，进行铸造工艺设计和分析等工程实践奠定坚实的实践基础。

二、实验内容

1．分析铸件-汽车发动机飞轮的零件图；

2．对以下三种铸造工艺方案进行分析和比较；

3．按三种铸造工艺方案分别进行造型和浇注，获得铸件；

4．观察并分析铸件质量，从而总结铸造工艺对铸件凝固和最终产品质量的影响。

三、实验原理、方法和手段

汽车发动机飞轮为HT-24-44灰铁铸件，重量30公斤。

零件为一高速旋转体，要求铸件内部无缩松、缩孔和砂眼，外表面应无气孔、夹渣等缺陷。

根据铸件结构壁较厚大、材质收缩大的特点，一般都确定按顺序凝固原则进行浇注，即设置冒口补缩，以减少缩松和缩孔缺陷。

但浇注位置和分型面可有多种设计方案。

根据多年的生产该铸件有三种工艺方案可供选择，并分别具有特定的浇注系统和分型面。

通过对三种铸造工艺方案进行分析，并结合实验结果，使学生对铸造工艺的重要性有具体的认识。

可事先给学生复习和讲解有关铸造工艺方面的知识，并提出问题让学生独立思考，并在现场对实验现象和结果进行分析和讨论。

要求学生独立完成实验内容和实验报告，通过实验教学培养学生认真的实验态度和科学严谨的科学方法。

四、实验组织运行要求

分组集中进行，每组10人左右，分小组由指导教师和实验教学的师傅带领，分三个工艺方案造型、浇注，最后进行集中分析和讨论。

要求学生做课前预习和记录记录，实验结束后由学生写出相应的实验报告，完成实验大纲要求的内容。

五、实验条件

100kg感应熔炼炉一台；

黏土砂、砂箱、造型工具。

六、实验步骤

参见实验内容。

七、思考题

1．三种铸造工艺各有什么特点？

2．如何避免厚壁件产生缩孔、缩松等缺陷？

3．哪种铸造工艺的成型性最好，铸件质量最优？

原因何在？

八、实验报告

整理实验结果，结合理论知识对飞轮铸件不同的砂型铸造生产工艺进行分析、讨论，并回答思考题。

九、其它说明

在铸造现场要注意安全，服从安排，确保人身和设备安全。

实验2：

快速凝固实验

实验学时：

2

实验类型：

（验证、综合、设计）

实验要求：

（必修、选修）

一、实验目的

利用高真空甩带机制备快速凝固合金或非晶态材料，使学生初步了解快速凝固的基本概念以及制备非晶材料的原理和技术，并对快速凝固方法及传热特点有进一步了解。

通过XRD，研究实验合金的凝固特性，对快速凝固晶态合金及非晶态合金的组织与结构特征有一定认识。

本实验涉及凝固理论和现代凝固技术领域的许多相关知识，通过实验，使学生能综合利用所学知识，分析实验结果，并对高真空甩带机的工作原理有具体的感性认识，为今后从事快速凝固的研究和生产奠定基础。

二、实验内容

1．指导教师介绍高真空甩带机的结构及工作原理；

2．利用高真空甩带机并改变实验参数制备带状块体材料；

3．利用XRD分析研究不同工艺参数条件下带状块体材料的组织特点；

4．对实验结果进行分析和讨论。

三、实验原理、方法和手段

1．快速凝固理论

在金属凝固过程中，凝固系统的传热强度及凝固速率对凝固过程及合金组织有着直接而重要的影响。

快速凝固是在比常规工艺过程中快得多的冷却度下，金属或合金从液态转变为固态的过程。

常规工艺下金属的冷却速度不超过102℃/S。

其中大型砂型铸件及铸锭：

10-6~10-3℃/S；中等铸件及铸锭:

10-3~102℃/S；薄壁铸件、压铸件、普通雾化:

10~102℃/S。

快速凝固冷却速度一般要达到104~109℃/S。

快速凝固合金有一系列独特的结构与组织。

2．快速凝固方法

（1） 气枪法（guntechnique）

将熔解的合金液滴，在高压（>50atm）惰性气体流（如Ar或He）的突发冲击作用下，射向用高导热率材料（经常为纯铜）制成的急冷衬底上，由于极薄的液态合金与衬底紧密相贴，因而获得极高的冷却速度（>109℃/S）。

得到多孔的合金薄膜，最薄的厚度小于0.5~1.0μm（冷速达109℃/S）。

Duwez等人首次获得熔体急冷合金时使用,目前在一些实验室研究工作中仍被使用。

（2）旋铸法（chillblockmelt-spinning）。

将熔融的合金液自坩埚底孔射向一高速旋转的、以高导热系数材料制成的辊子表面。

由于辊面运动的线速度很高（>30~50m/s），故液态合金在辊面上凝固为一条很薄的条带（厚度不到15~20μm左右）。

合金条带在凝固时是与辊面紧密相贴的，因而可达到（106~107℃/S）的冷却速度。

显然，辊面运动的线速度越高，合金液的流量越小，则所获得的合金条带就越薄，冷却速度也就越高。

应用用这种方法可获得连续、致密的合金条带。

可方便地用于各种物理、化学性能的测试，也可以作为生产快速凝固合金的工艺方法。

目前己成为制取非晶合金条带较为普遍采用的一种方法。

（3）工作表面熔化与自淬火法（surfacemeltingandself-quenching）

用激光束或电子束扫描工件表面，使表面极薄层的金属迅速熔化，热量由下层基底金属迅速吸收，使表面层（<10μm）在很高的冷却速度（>108℃/S）下重新凝固。

可在大尺寸工件表面获得快速凝固层，具有工业应用前景。

（4）雾化法（atomization）

原理1：

普通雾化法其冷却速度不超过102~103℃/S。

为加快冷却速度，采取冷却介质的强制对流，使合金液在N2、Ar、He等气体的喷吹下，雾化凝固为细粒，或使雾化后的合金在高速水流中凝固。

雾化法原理2：

将熔融的合金射向一高速旋转（表面线速度可达100m/s）的铜制急冷盘上，在离心力作用下，合金雾化凝固成细粒向周围散开，通过装在盘四周的气体喷嘴喷吹惰性气体加速冷却。

用雾化法制得的合金颗粒尺寸一般为10~100μm。

在理想的条件下，可达到106℃/S的冷却速度。

合金粉末通过动态紧实，等热静压或热挤等工艺，制成块料及成型零件。

3．实验手段

本实验采用旋铸法制备快速凝固合金或非晶薄带制备，利用DSC或DTA分析和确定快速凝固材料的凝固特性。

制备非晶带材的工作原理为：

在高真空条件下将熔融态金属或合金喷射到高速旋转的铜辊上，令其快速冷却以得到薄带。

由于这一冷却速度非常快，可以达到104K/S-106K/S数量级，从而能够在室温凝固时继续保持其液态的无序结构抑制晶化，得到非晶态亚稳材料。

而通常熔化的金属或合金冷却到玻璃转变温度以下时会发生形核和晶化无法得到亚稳材料。

四、实验组织运行要求

分组集中进行，每组10人左右。

要求学生做预习，并记录实验结果，实验结束由学生写出相应的实验报告，完成实验大纲要求的内容。

五、实验条件

1．HVDS-II高真空甩带机，其技术指标和设备能力和结构如下。

技术指标：

电弧熔炼室极限真空度:

6.6×10-4Pa

甩带/喷铸室极限真空度:

6.6×10-5Pa

电弧熔炼真空室体双层水冷

最大熔炼电流1200A，长期工作电流700-900A

熔炼坩埚:

水套冷却，五个熔炼工位（半球窝R25），其中三个用于熔炼合金（磁搅拌），一个纯化工位，一个吸铸工位。

真空吸铸装置一套

辊轮表面线速度：

0-50m/s（连续可调）

甩带熔炼样品10克（钢）；铜模吹铸样品10克（钢）；真空感应熔炼样品50克（钢）

设备总功率≤50KW,设备总重量：

2500Kg

设备占地面积：

3.5m×1.5m

应用领域：

用于熔炼高熔点金属/合金，半导体材料合金小试样及稀土材料的提纯

采用真空喷/吸铸法制备大块非晶材料

采用熔态单辊旋淬法制备条带非晶材料

通过非晶态技术制备钎料

设备结构说明：

主要由真空获得及测量系统,单辊旋淬条带制备系统,电弧熔炼/真空吸铸

系统及电控系统等组成。

采用非自耗熔炼方式。

电磁场对电弧的约束而产生

的透底熔炼及拌匀作用,缩短了熔炼时间，提高了效率。

变频调速，手动设

定辊轮表面速度。

2．PEDSC/DTA

六、实验步骤

1.使用高真空甩带机制备快速凝固合金；

2.使用通过XRD分析实验合金的凝固组织特性。

七、思考题

1．快速凝固对冷却速度有何要求？

2．高真空甩带机的工作原理是什么？

3．甩带机制备的非晶材料有何特点？

八、实验报告

根据实验数据写出实验报告，对实验工艺参数对凝固组织的影响进行分析和讨论，并回答思考题。

九、其它说明

实验过程中不可随意触碰设备仪器，注意安全。

《凝固原理》

标准实验报告

芦笙编写

适用专业：

材料成型及控制工程

江苏科技大学材料科学与工程学院

2006年4月

实验1：

铸造工艺实验

一、实验目的

通过对汽车飞轮铸件的工艺设计、造型和浇注实验，了解铸造工艺对铸件的流动性、成型性和铸质量的影响，加深对铸造工艺对控制铸件质量具有重要影响的认识。

二、实验要求

1．预习有关砂型铸造工艺、浇注位置、分型面选择等方面的知识；

2．遵守纪律和安全制度，服从指导教师和工人师傅的安排；

3．认真听讲，不懂就问；

4．严格按照操作规范进行实验；

5．做好实验记录；

6．完成实验报告

三、实验步骤

1．分析铸件-汽车发动机飞轮的零件图；

图1

3．对三种铸造工艺方案进行分析和比较；

图2.方案一

图3.方案二

图4方案三

3．分三组，每组10人左右，按三种铸造工艺方案分别进行造型和浇注；

4．观察并分析铸件质量，总结铸造工艺对铸件凝固和最终产品质量的影响。

四、实验报告

1．汽车发动机飞轮的零件特点和要求

实验用汽车发动机飞轮如图1所示，其最小壁厚为32mm，使用HT-24-44灰铁材质，重量30公斤。

零件为一高速旋转体，要求铸件内部无缩松、缩孔和砂眼，外表面应无气孔、夹渣等缺陷。

2．工艺方案的设计

根据铸件结构壁较厚大、材质收缩大的特点，一般都确定按顺序凝固原则进行浇注，即设置冒口补缩，以减少缩松和缩孔缺陷。

但浇注位置和分型面可有多种设计方案。

（1）工艺方案一

如图2所示，方案一将铸件全部在上砂箱形成，采用底注环型横浇道，多道扁形内浇口，中心设置冒口，在热节处安放六块冷铁。

（2）工艺方案二

方案二如图3所示，是将铸件浇注位置翻转，铸件大部分在下箱形成，取消了冷铁，使用暗冒口，铁水经横浇道、暗冒口后在进入型腔，中心部位用一只型芯。

（3）工艺方案三

如图4所示，工艺方案三的浇注位置和分型面同方案2，但金属液由切线进入型腔，设置了两个压边冒口进行补缩，铸件顶部设置两只冒气口，直浇道和横浇道间设有阻流浇口，并将各浇道的截面积设计成前开放后封闭的浇注系统，在上箱压边冒口旁插元钉两只。

3．实验结果及分析讨论

 方案一的铸件在转角处有较多的粘砂和夹砂，在上平面有严重的气孔。

这是因为虽然采用底注，金属流进型腔较为平稳，但金属流股对底面的冲击较大。

 方案二由于大部分铸件在下箱形成，铁水对底面冲击减小，其铸件质量比方案一的要好，但上表面仍出现夹渣和砂眼等缺陷。

 方案三保留了上述的分型面和浇注位置，但由于金属是由切线方向多道进入型腔，使型内金属平稳上升，同时两只压边冒口也能对热节进行补缩，顶部的两只冒气口也可排除先进入型腔的冷金属和型内气体，阻流浇口和前开放后封闭的浇注系统有较好的撇渣作用，上箱压边冒口旁插元钉增强了该处高温时的型砂强度，防止了铸件的夹渣缺陷。

因此，该铸造工艺方案获得的铸件质量最好，满足零件设计要求。

实验2：

快速凝固实验

一、实验目的

利用高真空甩带机制备快速凝固合金或非晶态材料，了解快速凝固的基本概念以及制备非晶材料的原理和技术，并对快速凝固方法及传热特点有进一步了解。

通过XRD实验，研究实验合金的凝固特性，对快速凝固晶态合金及非晶态合金的组织与结构特征有一定认识。

本实验涉及凝固理论和现代凝固技术领域的许多相关知识，通过实验，能综合利用所学知识分析实验结果，并对高真空甩带机的工作原理有具体的感性认识。

二、实验要求

1．预习有关快速凝固、快速凝固合金等方面的知识；

2．严格按照操作规范进行实验；

3．做好实验记录；

4．完成实验报告

三、实验步骤

1．使用高真空甩带机制备快速凝固合金；

2．利用XRD分析实验合金的凝固特性。

四、实验报告

1．快速凝固理论

快速凝固是在比常规工艺过程中快得多的冷却度下，金属或合金从液态转变为固态的过程。

快速凝固冷却速度一般要达到104~109℃/S。

快速凝固合金的组织及结构出现的新变化，在过冷不断加深的过程中，合金的组织及结构主要发生的新变化为：

a.扩大了固溶极限；

b.无偏析或少偏析的微晶组织；

c.形成新的亚稳相以及高的点缺陷密度等。

2．实验原理

本实验采用旋铸法，利用HVDS-II高真空甩带机制备快速凝固合金或非晶薄带制备，利用XRD分析和确定快速凝固材料的凝固组织特性。

高真空甩带机的制备快速凝固合金的工作原理为：

在高真空条件下将熔融态金属或合金喷射到高速旋转的铜辊上，令其快速冷却以得到薄带。

由于这一冷却速度非常快，可以达到104K/S-106K/S数量级，从而能够在室温凝固时继续保持其液态的无序结构抑制晶化，得到非晶态亚稳材料。

而通常熔化的金属或合金冷却到玻璃转变温度以下时会发生形核和晶化无法得到亚稳材料。

HVDS-II高真空甩带机的结构如图1所示。

（a）甩带机外形

（b）内部结构

图1HVDS-II高真空甩带机

3．实验过程

将Ti-Zr-Ni-Cu母合金粉碎，取20g装入单辊甩带机的石英玻璃管内，采用高频感应加热至1500-1600℃，将合金完全熔化后，用高压氩气将合金液连续喷射到直径为450mm的高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属由于受到激冷而凝固成箔带状。

利用XRD分析快速凝固合金的凝固组织特性。

4．实验结果与讨论

实验获得了箔带状Ti-Zr-Ni-Cu快速凝固合金。

对试样进行XRD分析。

其XRD谱如图２所示，可见只有一个宽大的衍射峰，没有明显的与结晶相对应的衍射峰。

磨去试样表面，对内部组织作XRD分析，其结果同前。

这表明本实验获得的快速凝固合金全部为非晶态。

图2Ti-Zr-Ni-Cu快速凝固

合金的XRD谱