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1、 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
2、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
3、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
4、，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
5、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
6、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：10-610-3 /S；中等铸件及铸锭:10
7、-3102 /S；薄壁铸件、压铸件、普通雾化:10102 /S。快速凝固冷却速度一般要达到104109 /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(gun technique)将熔解的合金液滴，在高压( 50 atm)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0.51.0 m (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(chill b
8、lock melt-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( 3050 m/s)，故液态合金在辊面上凝固为一条很薄的条带(厚度不到1520m左右)。合金条带在凝固时是与辊面紧密相贴的，因而可达到(106107 /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(su
9、rface melting and self-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(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102103 /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
10、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 100m。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
11、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1HVDS-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 : 6.610-4Pa甩带 / 喷铸 室 极限真空度 : 6.610-5Pa 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-
12、 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
13、轮表面速度。 2PE DSC/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
14、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13 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
