铅锡合金立项报告

编号：哈尔滨工业大学大学生创新训练项目申请书哈尔滨工业大学本科生院填表日期：2014年10月30日项目名称：超声场下铅锡合金晶粒细化规律及机理研究申请级别：校级执行时间：2014年11月至2016年11月负责人：温均有学号：1130910124联系电话：[phone]电子邮箱：[e-mail]院系及专业：材料科学与工程学院材料成型及控制工程指导教师：李邦盛职称：教授联系电话：[phone]电子邮箱：[e-mail]院系及专业：材料科学与工程学院材料加工工程项目名称：超声场下铅锡合金晶粒细化规律及机理研究申请经费：2000元一、课题组成员：（包括项目负责人、按顺序）二、指导教师意见：签名：年月日三、院（系）专家组意见：组长签名：（盖章）年月日四、学校专家组意见批准经费：元组长签名：（盖章）年月日姓名性别所在院年级学号身份证号本人签字温均有男材料科学与工程学院大二1130910124450702199501255155石林凤女材料科学与工程学院大二1131900226450323199403243062张凡男材料科学与工程学院大二1130910105130132199601040072彭凯峰男材料科学与工程学院大二1130910123421182199601102599刘强男材料科学与工程学院大二1130910127513902199104212311五、立项报告1、项目简介铅锡合金在浇铸过程中铅锡合金用途广泛，常用作焊料、合金涂层、装饰品、轴承等。使用铅锡合金来铸造用的产品具有一定的观赏性，比如可以使用铅锡合金来生产制作各种精美合金饰品、合金工艺品，如戒指、项链、手镯等。而使用铅锡合金铸造出来的轴承产品摩擦系数小，有良好的韧性、导热性和耐腐蚀性。铅锡合金在浇铸过程中形成的晶粒十分粗大，得到的合金性能有时不能满足需要。超声波具有一定的能量，将熔融金属置于功率超声场中凝固，在超声产生的空化效应和声流效应的共同作用下，形核过程和晶粒生长都受到一定影响，从而金属材料性能也会发生一定变化。本项目研究超声场下铅锡合金晶粒细化规律及机理，通过改变熔体过程及浇铸过程中施加超声波的功率、施加时间、作用温度等因素，并观察其显微组织，分析晶粒尺寸、形态、相尺寸、相形态、相分布等，得到超声波下晶粒细化的最佳条件。最终能够改善铅锡合金的延展性强度硬度等性能指标，以满足现实应用中的性能不足。2、申请理由本项目申请人温均有、张凡、刘强、彭凯峰、石林凤，均为材料科学与工程学院大二学生，其中四人是材料成型专业，另有一人是材料科学专业，五人都对科研抱有极大热忱，目前已学过CAD制图等基本知识，并且通过阅读相关文献、教材以及通过导师的深入介绍，对铸造过程及机理有过一定了解，也对本课题大致方向有了自己的一些认识，这为本项目以后的实施打下了坚实的基础。同时，课题组成员热心创新与实践，努力补充相关知识，积极动手设计图纸，制定实验方案，动手能力强，这为课题组成员接下来对专业课的学习和应用有了提前的接触，也会给我们能力提升有很大贡献。另外，项目申请人所在课题组对超声场下铅锡合金晶粒细化规律及机理的研究也很深入，可以对本课题提供良好的理论指导，课题组拥有本课题需要的相关仪器设备，可以为本课题的顺利实施提供保证。3、立项背景（1）研究背景铅锡合金由于其独特的理化性质一直受到广泛的应用。如利用其熔点低的特点，常用作焊料。而作为电镀材料，铅锡合金具有性能稳定，耐腐蚀性强，表面光滑美观等特点。掺入铜等金属的铅锡合金也常用于制作滑动轴承等。而铅锡合金晶粒粗细会对其延展性、耐腐蚀性、强度、硬度有很大影响，研究晶粒细化规律进而寻找更佳控制条件对现实生产应用的改善性能很有意义，能解决材料性能不足问题。（2）研究现状目前有较多的研究人员对其进行过深入的研究测试，并做出了相应的优化改良。特别是微型精密铸造上，可以铸成三维复杂铸件，在微型机器人，小卫星，电子元件，电子芯片等的铸造成型方面有重要应用。而作为微型精密铸造，对铸件的各项物理性能有更高的要求，人们对更高要求性能这方面的系统研究尚有欠缺。其中超声波振动使铸件晶粒细化，但针对铅锡合金，超声波作用的功率不同，作用时间的不同，作用于合金熔融阶段还是充型冷却阶段对晶粒细化的效果的影响尚并不十分明确。本项目在导师的耐心指导下，拟对成型各个阶段各个条件进行控制改变以得到不同成品，分析得结论。（3）研究趋势及意义随着时代的发展，由于航空航天、智能电子产品、智能武器小型化微型化甚至一些纳米级化的需求，而传统的锻压、光刻等手段无法满足复杂三维立体元件的制造需求，现有的合金性能仍未能完全满足应用要求，而晶粒细化可以较好地改善合金的各项性能。晶粒细化的实现手段多样，超声波细晶作为新兴技术，也将得到充分发展。在不同条件下，对不同合金的熔铸过程，超声波细晶的作用规律与机理也将被研究发现并得到充分应用。本项目主要针对在超声场下铅锡合金晶粒细化的规律及机理进行研究。寻找最佳作用时间、作用温度，最佳的作用方式，并分析其作用机理，促进超声波在细晶方面的应用，得到成熟的技术，促进铸造工艺特别是微铸造工艺的发展，从而也可以对其他合金与铸造条件进行相应的应用改善。4、项目实施方案4.1实验设备：铅锡合金（Pb90-Sn10）、超声设备、铸型、模具、显微测试仪器4.2实施计划前期：（1）铸型及模具设计：本项目研究晶粒细化工艺、机理，对铸型结构要求可简单设计。（2）充分学习相关知识:在导师的指导下，课题成员进行学习与查阅资料，便于后续实验结果的研究分析。（3）模具设计与制造：在补充知识的同时，按项目需要设计出模具，模具铸型可选用不锈钢进行制造。（4）材料选购：本项目选用纯铅、纯锡等作为实验材料。中期：（5）实验、做试样：按实验设计，进行铅锡的配比，控制实验条件参数进行实验，以得出部分不同实验条件下的不同试样。后期：（6）试样的分析与机理研究：做出全部试样，对做出的试样进行相应的检测、对比分析，对合金中的晶核尺寸、形态、相尺寸、形态分布、数目进行分析及相应的性能分析和理论研究。（7）资料整理：整理项目的所有资料，进行报告及论文撰写，结题。4.3技术路线（1）空白处理：熔体等条件自然凝固，不实施超声场环境。（2）超声熔体处理：控制超声处理时间：t1,t2,t3,t4,t5；处理温度：T1,T2,T3,T4；超声功率：W1,W2,W3,W4（3）超声凝固过程作用：把超声场加到铸型中，处理时间t1,t2,t3,t4,t5；超声功率：W1,W2,W3,W4（4）显微组织观察：用显微设备对所有成品进行观测。4.4人员安排彭凯峰负责铸型设计张凡彭凯峰负责铅锡合金配比刘强温均有负责超声功率、作用时间等调控石林凤温均有负责试样测试彭凯峰刘强张凡温均有负责结果分析彭凯峰张凡负责资料整理报告撰写5、项目特色与创新（1）特色：采用超声场环境对晶粒细化影响研究是本项目特色。（2）创新：超声场下细晶可对铅锡合金的延展性等各性能优化改善，具有创新理念。6、进度安排2014年11月—2015年01月：铸型模具设计制作，同时进行相关资料书籍大量查阅补充知识。2015年02月—2015年08月：进行实验，采得数据，获得试样。2015年09月—2015年10月：试样分析，数据处理，机理研究。2015年11月—2015年11月：资料整理，撰写报告，撰写论文。7、中期及结题预期目标中期目标：完成铸型设计制作，做出实验试样，数据结题目标：深入掌握铸造相关技术，提升数据处理、分析、总结等作研究能力，研究出试样的优点与相关机理，撰写报告论文。8、经费使用计划材料费：500元加工费：500元测试费：800元资料费：100元试验用水电费：100元合计：2000元9、参考文献[1]张志强，乐启炽，崔建忠.外场下镁合金凝固剂锭坯制备[M].北京：科学出版社.2014[2]介万奇，坚增运，刘林，等.铸造技术[M].北京：高等教育出版社.2013[3]廖立兵，夏志国.晶体化学及晶体物理学第二版[M].北京：科学出版社.2013[3]冯伟骏，谭家隆，李喜孟，李光..功率超声对Pb-Sn合金凝固行为的影响[J].铸造，2004，（5）：367-3[4]李光，张阳，李喜孟，冯伟骏.Pb-Sn合金在功率超声场中的凝固过程研究[J]。铸造技术，2006，（4）：374-4