综合实验报告一、实验目的通过对所需钢原材料准备、熔炼、及对所炼钢坯进行锻造、取样、热处理后观察测试其晶相组织，测定试样硬度，了解中频炉炼钢的方法及步骤，熟悉试样的成分分析方法，掌握金相显微镜试样的制备过程和基本方法，对实验中发生的问题进行讨论分析，从而掌握相关各专业知识，培养和提高综合应用及分析解决问题的能力。

二、实验原理1、真空感应炉的加热原理10kg真空感应电炉是利用中频感应加热的真空熔炼设备，炉体内部设有一只螺旋型管事线圈，当线圈通过中频电流时，产生交变磁场，金属炉料在交变磁场作用下，感应出电势，产生环形电流，这种电流在本身的磁场作用下集中在金属炉料的表面（即所谓的集肤效应），使外层金属料具有很高的电流密度，从而产生集中而强大的热效应，以致把金属炉料加热或融化。

2、比色分析的基本原理由比尔定律得知：当一束单色光通过均匀溶液时，其吸光度与溶液的浓度和厚度的乘积成正比。

比尔定律其数学表达式为：A=Log Io/I=KCLA—吸光度Io—入射光的强度I—透过光的强度C—溶液的浓度L—溶液厚度Io/I—透过率的倒数K—吸光系数化学反应原理：（1）用硝酸作溶样酸，加入过硫酸铵氧化，使磷转化为正磷酸。

（2）锰Mn 硝酸银—过硫酸铵光度法。

锰在钢中存在的形式，主要是以MnS 、MnC 、MnSi 或FeMnSi 等状态存在，在试样以酸溶解后，以硝酸银作催化剂，以过硫酸铵将二价锰氧化成七价锰，在530nm 出进行比色。

（3）磷P 抗坏血酸—铋盐光度法。

磷在钢中以磷化物（F e 2P 、Fe 3P ）形态存在，试样以酸溶后，砷的干扰用抗坏血酸掩蔽。

加入磷显色试剂，形成稳定的磷蓝在700nm 处进行比色。

（4）硅Si 草酸—硫酸亚铁铵光度法。

硅在钢中主要以固溶体形式存在，还可以形成硅化物。

其形式有MnSi 或FeMnSi 等。

试样以酸溶解后，使硅转化为可溶性酸。

在PH=1左右的溶液中，正硅酸与钼酸铵形成硅钼杂多酸（硅钼黄），在草酸存在下，硫酸亚铁铵将硅钼黄还原成硅钼兰，在700nm 处进行比色。

3、金相显微镜的基本原理金相显微镜是依靠光学系统实现放大作用的，其基本原理如图1所示。

光学系统主要包括物镜、目镜及一些辅助光学零件。

对着被观察物体A B 的一组透镜叫物镜O1；对着眼睛的一组透镜叫目镜O2。

现代显微镜的物镜和目镜都是由复杂的透镜系统所组成。

图1 金相显微镜的光学放大原理示意图（1）放大倍数显微镜的放大倍数为物镜放大倍数M 物和目镜放大倍数子M 目的乘积，即：目物目物f D f L M M M ⋅=⨯=式中，f物—物镜的焦距，f目—目镜的焦距；L—显微镜的光学镜筒长度；D —明视距离（250mm）。

f物和f目越短或L越长，则显微镜的放大倍数越高。

有的小型显微镜的放大倍数需再乘一个镜筒系数，因为它的镜筒长度比一般显微镜短些。

三、实验器材本次试验所用到的设备包括：砂轮片切割机、砂轮机、电子天平、真空中频熔炼炉、金属成分分析仪、砂纸（120#、240#、400#、600#、800#）抛光机、蔡司显微镜、箱式电阻炉、洛氏硬度计等。

真空中频熔炼炉结构：1）炉体：10kg真空感应电炉的熔室是一只双层壁的立式容器，内径为60厘米，圆柱体的高度为65厘米，真空熔室的实际有效高度为80厘米。

炉盖也是双层壁的，双层壁之间通入冷却水，炉盖上装有两个拉力弹簧，借助弹簧的拉力，开启炉盖很轻便，并能保持在一个适当的开启位置上，炉盖是用绞链安装，具有间隙，可以保证炉盖紧密的贴封在真空橡胶垫上，同时两个拉力弹簧锁攀还供给初封时所需要的压力。

2）支架：真空炉体，安装在一个坚固的角钢支架上。

3）填料装置：为了在真空熔炼过程中添加各种元素，因此在炉盖上装有特制的五格加料器，它有盖，能把加料器进行真空密封。

有了这种装置，就可以在真空的情况下，根据需要的加料的顺序，很方便地完成加入合金元素的任务。

4）感应线圈：感应线圈是一种矩形紫铜管制成的，线圈表面经过喷塑处理，防止真空放电。

匝与匝间有3—4毫米的间隙，通过他们外围的绝缘板来固定位置，感应线圈和进出电极间的连接是用两个螺母来连接的，拆卸方便，既能保证良好的导电，又能保证可靠的真空密封。

线圈内放有一个坩埚，线圈与坩埚之间靠线圈内壁要有1—2毫米厚的玻璃丝布或石棉纸板。

一是保护线圈，二是防止填料漏出。

5）转动电极：转动电极是一转动的同心导电的密封装置，它具有导电通水的双重任务，在炉子的外面，电流是从中频设备的电容器组，沿着母线而传导来的。

电缆能负载几千安培的强大电流，同时使用很方便。

电缆接到转轴内外电极上，铜电极通入真空炉体，把电流和冷却水带给感应圈。

同心电极进入真空炉体时，采用真空橡胶密封，他可以把线圈、坩埚和熔炼金属带着一起转动。

在真空炉体外面的一段上装有一个倾炉手柄，将倾炉手柄搬起来回转动就可倾炉复位。

6）坩埚：当坩埚用在真空中去熔融金属时，假如要免去在熔融金属和坩埚之间不必要的反应，适当的选择制造坩埚的材料和坩埚的制造工艺是非常重要的。

7）真空机组：为了能在整个熔炼过程中，有良好的工作真空度，故选用一台KT—300油扩散泵和一台2X—30机械泵。

真空机组所需要的各个阀，都安装在相应的管路上，操作是很方便。

从油扩散泵的抽气到炉体之间有一个￠300手动高真空翻板阀，阀门开闭角度为60—80度，此阀用来关闭油扩散泵的抽气口。

当阀盘打开时，对吸气导管内的通过截面没有多大变化，因此对气流的阻力也没有什么增加，所有的阀都是用真空橡胶实现密封的。

当阀门开着时，便让出了通道的横截面的整个面积。

另一方面2X—30 型旋片真空泵可以直接通过开启着的。

￠80手动挡板阀抽出真空炉体内的气体，这种连接就能在对熔室开始抽低真空时，使扩散泵保持其加热，以便随时加入工作，当高真空控制阀开启时，2X—30型旋片式真空泵与扩散泵连在一起，于是抽真空的支路便被关闭。

高真空支路关闭时，可以使旋片式真空泵和油扩散泵隔离。

借助于放气阀，可以让大气大量的进入炉体内。

另外还有一个充气阀，可以使惰性气体和化学气体通入炉体内以调节所需的低真空度。

此外调整低真空度，可以根据真空压力计的表上指示来进行。

8）真空测量：使用热偶电离两用复合真空计，表头刻度热偶是由13到13×10-2Pa，电离是由13×10-2Pa到13×10-6Pa，它是DL—3型热电偶真空规及DL—2型电离真空规联合使用，随电炉附带热偶真空规二个。

电离真空规一个。

真空机组上还装有0.1MPa—133帕的负压压力计，以观察炉内真空或保护气体的压力。

9）配电箱：配电箱是感应炉的电源控制系统，通过电流、电压的控制调节感应线圈中电流的大小，从而控制加热速度和熔炼温度。

10）测温装置：在炉体真空管道上有一个测温装置。

当需要测温时，可以装上热电偶保护管。

进行测温时，只须转动手柄，让热电偶插进坩埚内。

有一个适当的杠杆机构，以便使热点电偶在吸气口前停止住，因此装料和浇注等操作能毫无阻碍的进行。

从温度计可读温度数值，也可以使用光学测温或红外辐射温度计通过视察窗测量温度。

四、试验步骤及结果1熔炼材料的准备本实验所熔炼的钢种为GCr15，是一种合金含量较少、具有良好性能、应用最广泛的高碳铬轴承钢。

经过淬火加回火后具有较高的硬度、均匀的组织、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。

该钢冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，对形成白点敏感性能大，有回火脆性。

GCr15的化学成分见表1表1根据钢的成分，选用材料有纯铁、高碳锰铁、低碳铬铁、硅铁、石墨。

其成分如下：表2本实验共炼两炉钢，每炉4Kg，根据原料的化学成分及回收率，计算每炉出各原料的加入量。

（1）高碳锰铁的加入量M1=4000*0.35%/（65.4%*80%）=26.76g带入的其他元素量为：Mc=26.76*5.8%=1.552gMsi=26.76*1.4%=0.3746gMs=26.76*0.03%=0.008028gMp=26.76*0.23%=0.06155g（2）低碳铬铁的加入量M2=4000*1.5%/60.16%=99.73g带入的其他元素量为：Mc=99.73*0.21%=0.209gMsi=99.73*0.87%=0.8676gMs=99.73*0.017%=0.01695gMp=99.73*0.026%=0.02592g（3）硅铁加入量M3=（4000*0.25%-0.3746-0.8676）/（75%*75%）=15.057g（4）石墨加入量M4=4000*1%-1.552-0.209-0.306=37.993g（5）纯铁加入量M5=4000-26.76-99.73-15.057-37.993=3820.46g其中纯铁需用砂轮切割机切成7mm小段，以便装炉，且需用砂轮机磨去其表面的氧化物。

铁合金用锤子打碎，称量即可。

2合金的熔炼1) 掌握控制循环水路的各个阀门；2) 准备入炉原料和锭模，原料包括工业纯铁或钢材、铁合金等；3）打来循环冷却水的阀门，控制柜、炉体通冷却水；4）打开机械泵试抽真空，并检查炉内是否能充氩气；5）将料装入坩埚内，并将锭模放在炉体内；6）送电开始冶炼；7）当成分合格开始浇注；8）浇注完毕后，加工铸锭，并测定钢样成分和性能。

3样品宏观观察由于冶炼设备老化等自身原因，以及冶炼过程中人为的操作失误，造成炼出的样品存在很多缺陷，主要包括结疤、裂纹、缩孔残余、分层、白点、偏析、非金属夹杂、疏松和带状组织等。

就本样品而言，其自身包括了以下几几类缺陷。

2）缩孔缩孔是指铸件在冷凝过程中收缩而产生的孔洞，形状不规则，孔壁粗糙，一般位于铸件的热节处。

产生原因：浇注系统和冒口位置不当;补缩不良;铸件结构不合理;浇注温度过高或铁液成分不对，收缩率大。

就本次实验而言，由于所铸钢坯过小，浇注时间过快，使铸坯在浇注时没有得到足够的浇注时间，使部分钢液在没有浇注完全的时候就提前凝固收缩，从而形成缩孔。

减少缩孔方法：a．预热铸模，合理设计模具形状；b．在模具外加保温层，合理控制冷却速度；c．增大浇铸体积，合理设计冒口；d．改用砂模浇注。

3）偏析合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析。

产生原因：偏析产生的原因是钢水在凝固过程中，由于选分结晶造成的。

首先结晶出来的晶核纯度较高，杂质遗留在后结晶的钢水中。

因此，结晶前沿的钢水为碳、硫、磷等杂质富集。

随着温度降低，杂质凝固在树枝晶间，或形成不同程度的偏析带。

此外，随着温度降低，气体在钢水中溶解度下降，在结晶前沿析出并形成气泡上浮，富集杂质的钢水沿上山轨迹形成条状偏析带。

另外，保护渣卷入到钢水中造成局部增碳。

这些因素使钢材产生偏析的程度往往超过由于选分结晶造成的偏析。

4）疏松钢材截面在腐蚀后出现组织不致密的现象。