冶金综合性能实验（一）
一、 实验目的
铸铁是应用广泛的一种重要的工程结构材料，了解其材料成形中合金熔炼的工艺过程、合金成分、合金性能、组织和工艺因素对组织的影响以及常出现的缺陷等，是对热加工工艺的基本要求。本实验通过球墨铸铁的配料计算、熔炼与处理过程的观察，炉前检验，热分析，金相组织分析等，从实践上认识影响组织重要的元素硅，铸件壁厚，孕育处理工艺对球铁的影响，了解中频感应炉熔炼铸铁工艺过程、学会使用热电偶测温和螺旋形试样测定合金流动性的方法等，以增强学生对材料工程问题的兴趣，培养和提高学生的动手能力、实验设计和分析问题的能力。 二、 实验内容及方法
1、 按终硅量分别为2.0~2.2%，2.6~2.8%，用冲入法球化处理和孕育工艺熔炼铸铁合金，采用不同
的浇注系统浇阶梯试块，了解处理工艺及工艺对组织的影响实验过程，此外还根据不同温度和球化时间长短浇螺旋试样，了解铸造合金流动性的测定方法；
2、 学生在教师指导下按给定的成分进行配料计算、造型、熔化、球化及孕育处理，浇三角试块，
观察断口特征，浇热分析样杯，测定其冷却曲线，判断球化处理的效果； 3、 观察铸件的外观，分析缺陷的类型和产生的机理；
4、 解剖铸件，截取三种浇注系统方法获得的三种厚薄不同的试块来磨制金相试样、用金相显微镜
观察其显微组织，对照球墨铸铁金相检验国标（GB9441-88）来评定其球化分级、石墨大小、珠光体数量、渗碳体等，结合理论知识对组织进行分析，包括成分、冷却条件、处理工艺、温度、形状、浇注速度等因素对组织的影响；
5、 各大组将检验的数据在组内交流，并与其他大组数据互相交换（提供），然后由学生对实验数
据分析、撰写实验报告，交给老师进行评分记入成绩。
三、 实验用材料
Q10铸造生铁、45号钢、稀土硅铁镁合金、硅铁（75%Si）和孕育块、硅铁粉等。 四、 实验仪器设备
中频感应电炉、筛砂机、混砂机、快速测温仪（配用快速热电偶测温）、数据采集处理系统（配用热分析样杯测试）、抛丸清理滚筒、试样切割机、砂轮机、金相抛光机、金相显微镜、金相图像分析系统、阶梯式模样及浇注系统、螺旋线型板、电吹风机、秒表和游标卡尺等。 五、 实验过程
㈠ 材料准备
根据实验目的设计合金成分，按130Kg质量的铁水进行配料计算，根据铸件（包括浇注系统）的形状和大小先计算出该物料的重量和比例；
㈡ 实验步骤
1、 将称取的铸造生铁放入中频炉内进行熔化、后加入45号钢等，调整炉内合金成分； 2、 每个自然班分四个大组，每大组（9~12人）下分三个组（每班共分12组），每两大组做相同终硅成分的铸铁合金。按要求先混制好造型用湿型砂（型砂水分约5%），每大组用三种不同的浇注系统方法造阶梯式试样砂型（共三套）和用螺旋线型板造型一套，浇口窝内可放置称好烘干的孕育块（型内孕育，其质量约占件重的1.5%，采用随流孕育时，硅铁粉约占件重的0.2%），经检查合箱严密后，箱上放一重物（压铁），各组自行编号，浇注时，如跑火失败则要重做，每大组负责处理一包铁水浇三个试样，最后用一包铁水浇三个螺旋试样；
3、 根据设计处理工艺做好对硅铁、球化剂（用量约占包内铁水2%，块度10~20mm）、孕育块等的称料，将称好的物料分别用纸包并打上标志备用，按进程将其预热和投入包内（球化剂）或放入型内（孕育块），随流孕育则用漏斗式加入器控制硅铁粉与铁水同时流入铸型内；
4、 炉温升约1500℃时可投入经预热的硅铁等合金材料以调整炉内铁液各元素合金成分（前两组浇完约用去40Kg铁水，后两组别忘了在铁水里加硅铁增硅分）、进行烫包（球化包约盛18Kg左右铁水）、扒渣等，并继续升炉温。
5、 当炉内铁水温度升至1510~1550℃，抬下预热至暗红色（约650℃）的球化包，在其底部的半
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圆凹坑内放置球化剂，上用草灰或薄铁片覆盖，把未放球化剂一侧包口对准出铁水流的位置，进行出铁水球化处理和浇注前的准备；
6、 控制倾炉装置，细心将铁水浇入包内一半至三分之二处，约半分钟即发生激烈球化反应，为防止镁的烧损降低球化效果，应迅速用铁板盖住包口片刻，缓解后迅速移去盖板继续注满到包内的80%左右，此时可观察铁液表面窜出的火苗，初判断球化情况，扒渣后用快速热电偶测温、后用钢瓢盛少许铁水分别浇一三角试块和热分析样杯里（注意提前开启采集开关使设置好的数据采集处理系统投入运行），接着按大面朝下、正常和大面朝上的顺序浇阶梯试样砂型，各组浇完阶梯试样后、再出一包铁水经球化处理后按定时间隔先后浇三个螺旋试样，最后用炉内剩余铁水（注入包内，不球化处理，温度约1380℃时）再浇一个螺旋试样，以观测温度高低、球化先后和原铁水的流动性情况作一对比，各组要做好温度时间记录；
7、 试块经过2个多小时的冷却后，下午即可打箱取件。把取出的试块放水冷却后，做好标记（用手锯锯口）先观察记录铸件结构的完整性和表面缺陷，再把试样集中放入抛丸清理滚筒内清砂，清理后取出再继续观察外观质量（包括量尺寸、称量等）和进行切割；
8、 用砂轮切割机切取中部条块（见下图），注意用自来水冷却（以防组织变化），再用金相切割机切成小块作金相试样（一般长12mm方柱体），及时在试块一处打上钢号码（或用电刻机）编号，有些
硬而脆的材料可用锤击法敲断或击碎成合适的尺寸作为金相试样；
阶梯试块尺寸： 25 12 3 6 50 100 250
切割位置 金相试样(净宽约12~14mm)
㈢ 金相试样的磨制
取样后试样表面的粗糙不平度主要在粗磨时去掉。用手工在砂轮上粗磨时，接触压力不要太大，以保证磨面质量和操作安全。磨去尖角、飞边（以免尖角刺破砂纸和布，但如需要观察边缘组织时则可保存边缘或用酚醛塑料粉等镶嵌试样后再磨制），将砂纸平铺在玻璃板上，一手将砂纸按住，一手将试样磨面轻压在砂纸上，并向前推行，进行磨光，直到试样磨面上仅留有一个方向的均匀磨痕为止。在试样上所加的压力应力求均衡，磨面和砂纸必须完全接触，这样才能使整个磨面均匀地进行磨削，在磨光回程中最好将试样提起拉回，不与砂纸接触。一般钢铁材料用240、320、400和600四个粒度号的砂纸磨光后，即可进行抛光。在每道磨光后应把试样及操作者的手都冲洗干净，再进行下一道磨光，避免粗砂粒被带到下一道工序。磨制方向与上一道工序留下的磨痕相垂直。抛光时使磨面均衡地轻压在旋转的抛光盘上并随时将试样由中心至边缘左右移动。磨面粗抛时间约2~5分钟，待磨痕清除后，粗抛即应停止。
抛光过程应不时补充抛光液（本室用W5或W7（μ）号氧化铬或氧化铝微粉加水的悬浮液），使抛光盘保持一定的湿度和抛光磨料。抛光盘的湿度对抛光结果影响很大，最合适的湿度是当试样提离抛光盘后，磨面上的水膜能在1~5秒钟内蒸发完。精抛光在最后阶段应将试样反方向转动，以防止非金属夹
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杂物产生“曳尾”现象。一般精抛光约3~5分钟，当磨面成无磨痕的镜面时即应停止。然后试样先用水冲洗，并用湿棉花轻轻揩拭磨面，再用酒精（最好是无水酒精）冲洗，然后用理发热吹风吹干。
㈣将试样放到放大倍数为100倍的金相显微镜上观察并与球墨铸铁金相检验国标对照后，确定各检验项目的数值，在本大组内互相交流，与其他大组数据互相交换（提供），学生根据实验数据和资料撰写实验报告，于次周交给老师批改。
试样抛光后直接检验石墨，而后用2%~5%硝酸酒精溶液浸蚀（数秒钟）再检验基体组织（首次浸蚀时间宜短、浅，还可再来腐蚀，若一次浸蚀过度，影响观测则还要重新磨、抛）。
T 33- 班 （ ）组 球墨铸铁（含硅量 %）金相检验数值统计表 检 验 项 球 石 珠 渗 目 、 化 墨 光 碳 试 模 值 分 大 体 体 说 明 样 块 级 小 数 数 厚 放 量 量 度 置 3 大面朝下 正 常 大面朝上 大面朝下 6 正 常 大面朝上 大面朝下 12 正 常 大面朝上 浇注时间： 年 月 日； 时 分至 时 分；浇注温度： ℃ ；室温： ℃
六、 评分标准
按预习、操作和报告三部分成绩累计。
实验前每位同学要做好预习和撰写预习报告，实验过程中认真操作并做好各项记录，做到实验方案正确、数据真实、全面和有实验结果分析等，无抄袭现象为及格，否则不及格。每份实验报告还应有用座标纸绘制的球铁冷却曲线图（用数据采集器实测摘录部分数据来描绘）和对流动性测定数据的分析，各大组把本组实验报告和试块一起交回给老师评阅。
(一)预习部分（占20分）
⒈ 认真仔细地阅读实验指导书，了解实验全过程及铸造工艺等方法。
⒉ 设计合金的配料计算 拟配置质量为120Kg的铁水。学生根据老师给定的铸铁、废钢、75硅铁和球化剂等原材料成分和初始配置的原铁水要达到的成分来设计配料。出炉约5（6）小包铁水（每包按20Kg铁水计算可浇三套阶梯试块铸型），前两包终硅量控制为2.0~2.2%，后3（4）包终硅量为2.6~2.8%（其中用最后一包来浇三个螺旋线试样，测流动性）。试计算 ⑴若只一次孕育时，每包加入多少球化剂和75硅铁块？⑵ 出两包铁水后调整炉内成分（增硅）又向炉内加入多少硅铁？⑶ 若要进行二次（型内、随流）孕育时，球化包内应加入的球化剂和75硅铁块又是多少。每人将此预习在实验前交来。
(二 )实践部分（占40分）
⒈ 完成好混制型砂和分组造型等工作，经老师查验合箱。
⒉ 整个实验过程每人都要做好温度、浇注时间及合金加入量的原始记录。
⒊ 在打箱或切割后要对铸件外、内部进行质量观测记录并完成磨制金相试样工作。 ⒋ 各组要认真观察金相组织并对照国标评定和记录好报告要求观测的有关数据内容。
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每人将以上原始记录（含金相观测数据）和试样一并上交，。 （三）实验报告部分（占40分）
⒈ 报告要有实验目的、内容和使用的仪器设备，有配料计算等内容，所附的绘图（坐标）纸要与报告纸（16开）相当，绘图规范，数据标注准确、完整。
⒉ 报告内要有终硅量2.0~2.2%和2.6~.2.8%两大组的金相检验数值统计表、四次流动性（螺旋线长度）测定数据（列表）和用热分析样杯测定原铁水、球铁（低硅和高硅）的冷却曲线图（3组较典型曲线）。要结合理论知识对实验统计数据进行分析和提高，自行完成撰写报告。若相互抄袭、雷同者给不及格。
实验报告内容：
1、所使用的造型方案
2、化学成分 终硅量：
3、工艺参数
出炉温度： 浇注温度： 浇注时间：
4、缺陷分析结果：
5、金相组织分析结果 试样厚度 球化等级 石墨球直径 珠光体含量 渗碳体含量 金相组织图
6、工艺因素综合分析
1）壁厚对组织影响（分析同种造型方案中不同壁厚对组织的影响，并附金相组织图）
2）冷却速度对组织的影响（分析不同造型方案间壁厚的影响，并附金相组织图）
3）孕育处理对组织的影响（附金相组织图）
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附录：1浇注系统与阶梯试样配合造型示意图： 浇口杯 直浇道 横浇道 阶梯试块 内浇道 上 上 下 下 型内孕育块 内浇口 直浇道 横浇道 浇口窝（直浇道窝） 以上为正常放置简图 浇口杯 直浇道 阶梯试块 横浇道 内浇道 上 上 下 内浇道 下 直浇道 横浇道 型内孕育块 浇口窝（直浇道窝） 以上为大面朝下放置简图 直浇道 浇口杯 阶梯试块 横浇道 直浇道 阶梯试块 横 上 内浇道 上 浇 道 下 下 型内孕育块 内浇道 浇口窝（直浇道窝）
以上为大面朝上放置简图
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附录2：中华人民共和国国家标准《球墨铸铁金相检验》GB9441-88 （摘录部分） 1 主题内容与适用范围
本标准规定用光学金相显微镜来评定球墨铸铁的显微组织。
本标准对球化分级、石墨大小、珠光体粗细、珠光体数量、分散分布的铁素体数量、磷共晶数量和渗碳体数量的评定方法作了规定，列出了评级图。
本标准适用于评定普通和低合金球墨铸铁铸态，正火、退火态的显微组织。 2 试样的制备
2.1 金相试样应在与铸件同时浇注、同炉热处理的U型、Y型、敲落试块或附铸试块上截取，也可在铸件有代表性的部位上截取。
2.2 截取和制备金相试样过程中应防止组织发生变化，试样表面应光洁，不允许有粗大的划痕。 3检验规则
3.1 试样抛光后检验石墨，经2%~5%硝酸酒精溶液浸蚀后检验基体组织，放大倍数除评定珠光体粗、细为500倍外，其余检验项目均为100倍。
3.2检验球化分级时，应首先观察整个受检面，然后从差的区域开始，连续观察五个视场，以其中三个差的视场的多数对照级别图评定；检验石墨大小、珠光体数量，分散分布的铁素体数量时，应以大多数的视场对照相应的级别图评定；检验磷共晶及渗碳体的数量时，应以含量最多的视场评定。
3.3 检验结果表示方法：球化分级以石墨形态及其分布和球化率来划分，评定时以球化级别或球化率表示；石墨大小以级别表示；珠光体粗细，以渗碳体和铁素体的片间距来划分，以相应的级别名称表示；珠光体数量、分散分布的铁素体数量、磷共晶数量以及渗碳体数量用相应的级别名称或百分数来表示。 4 检验项目和评级图 4.1 球化分级和评定
4.1.1 按石墨的面积率划分石墨形态，面积率大于或等于0.81为球状石墨；面积率0.80~0.61为团状石墨；面积率0.60~0.41为团絮状石墨；面积率0.40~0.10为蠕虫状石墨；面积率小于0.10为片状石墨。 4.1.2 根据石墨形态及其分布和球化率，参考其对机械性能影响的趋势和工艺特点，将球化分为六级，见表1和图1~图6（略）。
4.1.3 球化率计算方法按附录A（略）。
表1 球化分级 图球化级别 说 明 号 1 1级 石墨呈球状，少量团状，允许极少量团絮状，球化率不低于95% 2 2级 石墨大部分呈球状，余为团状和极少量团絮状，球化率90%到小于95% 3级 石墨大部分呈团状和球状，余为团絮状，允许有极少量蠕虫状，球化率80%3 到小于90% 4级 石墨大部分呈团絮状和团状，余为球状和少量蠕虫状，球化率70%到小于80% 4 5 5级 石墨呈分散分布的蠕虫状和球状、团状、团絮状，球化率60%到小于70% 6 6级 石墨呈聚集分布的蠕虫状和片状及球状、团状、团絮状 4.2 石墨大小和评定
石墨大小分为6级，见表2和图7~图12（略）。
表2 石墨大小分级
级别 石 墨 直 径（100X） 3级 ＞25~50 4级 ＞12~25 5级 ＞6~12 6级 ＞3~6 7级 ＞1.5~3 8级 ≤1.5
图号 7 8 9 10 11 12 6
4.3 珠光体粗细（略） 4.4 珠光体数量
珠光体数量按石墨大小分列A、B二组图片，见表4和图16~ 图27（略）。
表4 珠光体数量分级 级别名称 珠光体数量（%） 图号 珠95 ＞90 16A、16B 珠85 ＞80~90 17A、17B 珠75 ＞70~80 18A、18B 珠65 ＞60~70 19A、19B 珠55 ＞50~60 20A、20B 珠45 ＞40~50 21A、21B 珠35 ＞30~40 22A、22B 珠25 ≈25 23A、23B 珠20 ≈20 24A、24B 珠15 ≈15 25A、25B 珠10 ≈10 26A、26B 珠5 ≈5 27A、27B 4.5 分散分布的铁素体数量（略） 4.6 磷共晶数量（略） 4.7 渗碳体数量
评定时，应包括各种形态的渗碳体，见表7和图39~43 （略）。
表7 渗碳体数量分级 级别名称 渗碳体数量 （%） 图号 渗1 ≈1 39 渗2 ≈2 40 渗3 ≈3 41 渗5 ≈5 42 渗10 ≈10 43 附录2：球化质量的炉前检验 （摘自《热加工工艺规范》樊东黎主编 （p 535） 方法 球 化 质 量 鉴 别 球化处理后，在补加铁液、搅拌、倒包时，铁液表面窜出火苗，是镁逸出燃烧的现象。 火苗愈多愈长愈有力，球化愈好。鉴别如下： 火苗等级 大火苗 中火苗 小火苗 无火苗 观察 大火苗，大大火苗1~2个，小火苗，小于 火苗 火苗特征 于40mm，3个夹有小火苗10个15mm，少且无力 看不见火苗 以上；小火苗以上，有力 多且有力 球化情况 良好 良好 一般（衰退快） 未球化 球化 未球化 观察铁液表面平静，覆铁液表面翻腾严 铁液盖一层氧化皱皮。温重，氧化皮极少。且 表面度下降，会出现五颜集中在中央。见右图 膜 六色的浮皮。见右图
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顶部缩凹 常用试片截面宽25mm×高50mm，冷至暗红色（600℃）， 三角取出淬水 中心缩松 试块 球化良好的特征：①外形顶部和两侧缩凹；②断口银白 色，晶粒细；③中心明显缩松；④断口尖角白口清晰； 侧面缩凹 ⑤悬击有清脆金属音；⑥浸水有电石味 白口 圆柱直径一般为铸件最厚的0.8倍，长300mm。判断与三角试片相似，断口银白，晶粒细试棒 密，中心有缩松，则球化良好 快速试样ф20mm×20mm或30mm×30mm，凝固后淬火冷却 金相 试样采用砂型（树脂砂或合脂砂）浇注。磨平抛光后按标准评定 热分 析、球化处理后，铁液浇入ф40mm×60mm热分析样杯，根据冷却曲线或微分冷却曲线微分上的共晶过冷度及共晶过冷回升速率等特征判断球化率 热分析
本次实验原料：
Q10生铁 C%=4.3 Si%=0.75 废钢 C%=0.45 Si%=0.66 稀土镁球化剂 Si%=40 1.7%球化处理
孕育剂 75SiFe Si%=75 0.27%随流孕育处理
每包铁水重量：20kg 每个铸件（含浇注系统）重量：6kg
拟配制100kg铁水，分别配制成份为C%=3.6~3.8 Si%=2.0~2.2 和C%=3.6~3.8 Si%=2.6~2.8 的铁水，请进行详细的配料计算。
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