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。