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实验一：火熔铸法制备 ZL104 铝合金
一、实验目的
- 掌握铝合金熔铸的基本流程：熔化→精炼→变质处理→浇铸；
- 理解ZL104合金的成分体系及各组元的作用；
- 了解精炼剂、变质剂的选用依据及安全操作规程；
- 认识并分析铸造过程中常见缺陷的产生原因与预防措施。
二、实验原理
2.1 ZL104 合金的成分体系
ZL104为 Al-Si-Mg-Mn 系铸造铝合金（国标ZAlSi9Mg），其典型成分（质量分数）为：
$$\text{Si：}8\%\sim10.5\%,\quad \text{Mg：}0.17\%\sim0.35\%,\quad \text{Mn：}0.2\%\sim0.5\%,\quad \text{Al：余量}$$
各组元的作用：
| 元素 | 主要作用 |
|---|---|
| Si（硅） | 提高流动性，降低收缩率，形成共晶组织，强化基体 |
| Mg（镁） | 时效强化（析出 $\text{Mg}_2\text{Si}$），提高强度与硬度 |
| Mn（锰） | 抑制铁相的有害针状形态，改善断裂韧性 |
2.2 精炼原理
向铝液中通入六氯乙烷（C₂Cl₆）精炼剂，其分解反应为：
$$\text{C}_2\text{Cl}_6 \rightarrow \text{C}_2\text{Cl}_4 + \text{Cl}_2$$
$$2\text{Al} + 3\text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{AlCl}_3 \uparrow$$
生成的 $\text{AlCl}_3$ 气泡在铝液中上浮，携带夹杂与溶解的氢气（$\text{H}_2$）逸出，起到除气除渣的作用，有效降低铸件中的气孔缺陷。六氯乙烷不吸潮，在干燥环境中可安全使用。
注意： 不可使用 $\text{ZnCl}_2$ 等吸潮性精炼剂——若精炼剂预热干燥不足，水分会随精炼剂进入铝液，导致剧烈沸腾甚至爆炸。
2.3 变质处理原理
向铝液中加入 Al-Sr（锶） 或 Al-Sb（锑） 变质剂，可改变共晶硅的凝固形态：
$$\text{Al-Si（未变质）：针状/板状共晶Si} \xrightarrow{\text{加入Sr}} \text{细纤维状/蠕虫状共晶Si}$$
变质机制：Sr吸附在Si的生长界面（$\{111\}$晶面），通过改变界面能抑制Si的优先生长方向，迫使Si以细小纤维状凝固，消除应力集中点，显著提升冲击韧性和延伸率。
Sr 与 Sb 的比较：
| 变质剂 | 变质效果 | 有效期 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| Sr（锶） | 效果佳，组织细小 | 较短，需时效处理 | 变质等待期稍长，夹渣较多 |
| Sb（锑） | 效果稍慢 | 很长（可反复使用） | 安全性稍差，含锑废料处理要求高 |
由于 Sr 的有效期较短，本实验要求取样后迅速加入 Al-Sr 并立即关闭电阻炉电源，以缩短在空气中的暴露时间。
2.4 电阻炉温度滞后
电阻炉的热电偶置于炉腔中心，而电阻丝在外侧。由于金属的热传导有延迟，加热与断电时温度计读数与实际炉温存在系统性滞后：
$$T_{\text{显示}} \neq T_{\text{炉腔实际温度}}$$
加热时：$T_{\text{炉壁}} > T_{\text{中心}}$；断电后：$T_{\text{炉壁}} < T_{\text{中心}}$。实际操作中，炉温设定应比目标温度（700–720°C）低一定余量，防止过热氧化。
三、实验配料设计
目标合金成分（质量分数）：
- Al-10%Mn 中间合金：36.8 g（实际：37.89 g）
- Al-2%Si：487.06 g（实际：480.56 g）
- 纯Al：478.9 g（实际：479.22 g）
- 纯Mg：3.68 g（实际：4.72 g）
精炼剂用量：
- 六氯乙烷理论：9.94 g；实际：10.02 g
Al-Sr变质剂用量：
- Al-Sr理论：30.77 g；实际：30.11 g
四、实验步骤
- [0 min] 将除Mg以外的合金配料加入720°C电阻炉，随炉升温，稳定后采样（第一次取样，40 min）；
- [57 min] 加入六氯乙烷精炼，待气泡充分逸出后刮除铝液表面浮渣；
- [1 h 08 min] 精炼完毕，进行第二次取样；随后快速加入Al-Sr变质剂并关闭电阻炉；
- [1 h 58 min] 变质完成，进行第三次取样，完成实验整理实验场地。
三次取样均倒入金属铸型中制成圆棒试样。
五、实验结果
所制三组试样整体形态完整，铸造较为成功，铸棒表面光滑，无明显宏观缺陷（如冷隔、明显缩孔）。
六、分析讨论
问题1：为何快速生产中宁可将精炼剂预热干燥而不用大气炉？
C₂Cl₆不吸潮，在干燥环境和通风条件下水分不进入铝液，既安全又高效。而ZnCl₂等吸潮性盐类，一旦含水进入铝液，水分瞬间汽化膨胀并形成氢气，极易引发爆炸，在快速生产中安全隐患极大。
问题2：Sr变质效果的有效期远短于Sb，实验中Sr的加入量如何控制？
Sr 的最优添加量一般在 $0.01\%\sim0.02\%$（质量分数）。添加不足时变质不完全，Si仍以针状形态析出；添加过量则可能引入过多氧化夹杂，甚至因Sr与Mg反应生成 $\text{Mg}_2\text{Sr}$ 相而损耗有效Mg量，同时可能引入气孔。
实验二：砂型铸造工艺方案设计与实践
一、实验原理
砂型铸造通过在型砂中造型来制备铸模。型砂需具备一定的强度、透气性和退让性，其中型砂的强度来源于水分在砂粒间形成的黏土薄膜（液桥）产生的表面张力结合力。
型砂水分含量 $w_{\text{water}}$ 过高会降低型砂强度（液桥饱和），过低则无法形成有效结合；最佳水分含量通常在 $3\%\sim8\%$（质量分数）。
浇注系统的设计需满足充型流量平衡条件：
$$Q = A_{\text{浇口}} \cdot v_{\text{浇口}} = A_{\text{横浇道}} \cdot v_{\text{横}}$$
由 Bernoulli 方程得充型速度：
$$v = \sqrt{2g H_{\text{p}}}$$
其中 $H_{\text{p}}$ 为有效压头高度（即从浇口液面到铸件最高点的高度差），用于估算充型能力和最小壁厚可充型性。
二、实验过程
设备： 上下型箱、木模、砂勺等造型工具。
步骤：
- 调节型砂水分（以手握型砂后缓慢释放，能保持形状且无多余水迹为准）；
- 造下砂型：模样在型箱中心，凸面朝下放置，沿分型面方向填砂，逐层紧实；
- 造上砂型：放置大木棒（浇注系统）和小木棒（冒口/补缩系统），填砂紧实后取出木棒，形成浇注通道；
- 合型浇注；
- 铸件冷却后开箱，去除浇冒口，进行初步修整。
三、实验结果
铸件完整且表面纹样清晰（所用模样为仿古铜钱造型），两个铸件均充型完全，填充效果良好，浇注系统运行正常。
四、分析讨论
问题1：为何工业生产中每次造型前均需调整型砂成分？
在每次浇铸冷却过程中，高温使型砂中的 $\text{SiO}_2$ 部分发生相变（石英化），层状结构随之变化，原有的层状结合点逐渐失活，不再能有效保持水分。此外，有机粘结剂在高温下分解失效。因此：
- 对于工业大批量生产，型砂接触高温次数多、周期长，型砂性能退化显著，必须在每次造型前调整成分；
- 本实验中铸件小、次数少，型砂损耗轻微，影响可忽略，故未做调整。
问题2：为何铸件中的大平面要被"避免"？
大平面处铸型直接暴露在铝液中，铝液中的水分蒸发严重，小气泡易聚集在大平面处无法排出，形成气孔。若大平面倾斜，则气泡可沿斜面逸出，有效降低气孔率。烘烤后平面处砂型强度下降，大平面受铝液冲击时更易塌陷，铸件质量降低。
实验三：火熔铸制备 ZL104 铝合金的质量与效果评价
一、实验目的
- 通过金相制样（切割→镶嵌→打磨→抛光→腐蚀）观察ZL104合金在不同处理状态下的微观组织；
- 评估精炼处理与变质处理对金相组织（气孔、夹杂、Si相形态）的影响；
- 学习并运用金相显微镜进行组织表征与评级。
二、实验原理
金相试样的制备质量决定了组织观察的可靠性。各步骤原理如下：
倒角（chamfering）： 将切割后试样的棱角磨掉约45°，防止打磨时划破砂纸，保护操作者，同时避免在抛光时磨入"尖角崩起液浪"损伤试样表面。
砂纸打磨： 由粗到细（100目→400目→600目→800目→1000目→1500目→2000目），每换一级砂纸将打磨方向旋转90°，直至上一道划痕完全消除：
$$\text{划痕深度} \propto d_{\text{abrasive}},\quad \text{需满足} \quad d_{\text{next}} < d_{\text{current}}$$
抛光： 使用金刚石抛光液（粒径$\sim1\ \mu\text{m}$），去除砂纸划痕，获得镜面。抛光方向（布的转动方向）应与打磨方向垂直，以便在金相镜下区分是否完全消除划痕。
腐蚀： 本实验使用 $\text{NaOH}(\text{aq})$ 腐蚀剂，浓度宜稀、时间宜短，以不同相与基体的腐蚀速率差异显示晶界与相界：
- 铝基体（α-Al）：腐蚀速率较慢，呈亮色；
- 共晶Si：腐蚀速率极慢，以形貌清晰显现；
- 气孔与夹杂：无腐蚀，呈黑色。
腐蚀过度（时间过长或浓度过大）会使晶界过宽，形成凹坑，反而模糊组织细节；腐蚀不足则相界反差不足，需在金相镜下检查后决定是否补充腐蚀。
三、实验结果（金相照片分析）
请 下载报告 后查阅本章节的图片。
| 处理状态 | ×100倍 | ×500倍 | 组织特征 |
|---|---|---|---|
| ① 未精炼、未变质 | 大型气孔、大型夹杂 | 针状Si相，周围共晶β相 | 铸件组织疏松，缺陷密集，针状Si明显形成应力集中 |
| ② 已精炼、未变质 | 无明显大型气孔 | 细纤维状Si相，无β相 | 精炼后气孔显著减少，但Si仍以针状或粗短纤维形态存在 |
| ③ 已精炼、已变质 | 针状Si相圆钝化，有少量气孔 | 细小纤维状Si，Sr偏析边界清晰 | 变质处理使共晶Si由针状→纤维状，显著提升塑韧性 |
四、分析讨论
4.1 精炼对组织的改善
精炼（通入C₂Cl₆）产生的 $\text{AlCl}_3$ 气泡上浮，将溶解在铝液中的氢气以及非金属夹杂携带至液面。气孔数量的定量评估可用气孔率 $\phi$ 衡量：
$$\phi = \frac{V_{\text{孔}}}{V_{\text{总}}} \times 100\%$$
未精炼试样中气孔尺寸达数百微米（×100下可见），严重削弱机械性能。已精炼试样气孔大幅减少，表明精炼对降低溶解氢、消除大型孔洞极为有效。
4.2 变质处理对Si相的影响
共晶Si的形态转变从针状/板状→细纤维状，本质是凝固界面能各向异性的改变。未变质时，Si沿 $\langle 112 \rangle$ 方向以台阶机制快速生长，形成粗大针状晶。Sr吸附改变了Si的生长界面特征，使其转变为：
$$\Delta G_{\text{faceted}}^{\text{with Sr}} > \Delta G_{\text{non-faceted}}$$
即加入Sr后，Si的小晶面生长（faceted growth）能垒增高，转变为非小晶面模式（non-faceted），以细纤维状向各方向生长，消除局部应力集中，断裂韧性显著提升。
4.3 制样要点的深度讨论
问题1：倒角在何时不需要？
当试样本身轮廓光滑（无尖锐棱角）、或试样已经通过镶嵌包埋（如环氧树脂镶嵌）时，外角已被包埋材料保护，无需额外倒角。
问题2：如何判断抛光是否足够？
在金相镜下以最高倍率（如500×）观察，若视野中已无划痕、仅见点状夹杂与组织，则抛光足够；若仍见方向性划痕，则需继续抛光，必要时从上一级砂纸重新打磨。
问题3：腐蚀后某些区域凹陷严重但原始砂纸已重新处理，能否在腐蚀后再次打磨抛光？
可以，但需注意：NaOH腐蚀后表面有腐蚀产物，直接抛光会污染抛光布。应先充分清洗并干燥，再从细砂纸（如1500目）重新抛光，而非从粗砂纸开始，以避免引入新划痕。凹坑过深则需从较粗砂纸重做。
作者：GARFIELDTOM
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