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广两火学倾十学位论文贝氏体灰铸铁汽缸套生产工艺捕础研究 贝氏体灰铸铁汽缸套生产工艺基础研究 摘要 本文通过对浇注后冷却速度的控制，探讨普通灰铸铁在铸造后直接获 ，得以贝氏体为主的混合基体组织的灰铸铁的生产方法。采用a n s y s 有限元 分析软件对离心铸造温度场和铸件等温淬火过程以及空冷时的温度场进行 数值模拟，对铸件铸造冷却过程中的温度场变化做出分析认为铸件冷却到 7 0 0 s 时开箱进行等温淬火。上述研究为贝氏体灰铸铁汽缸套的工业化生产 研究提供依据。现将主要研究成果陈述如下： 1 、通过对普通灰铸铁等温淬火工艺的研究表明：本文实验采用的普通 灰铸铁经8 6 0 保温2 h ，然后在3 0 0 的低温盐浴炉中等温淬火1 5 h 后， 可以使普通灰铸铁的基体获得以贝氏体为主的混合组织。硬度和冲击韧性 分别提高了2 倍和3 倍。硬度由原来的h v 9 6 提高到h v l9 6 ，冲击韧性由原 来的1 0 6 9 j c m 2 提高到3 4 5 2 j c m 2 。 2 、对普通灰铸铁铸造后直接进行等温淬火的工艺方法进行了研究，表 明：普通灰铸铁铸造后直接在3 0 0 进行等温淬火1 5 小时，其基体可以获 得以贝氏体为主的混合组织。未经等温淬火和经过等温淬火试样的抗拉强 度； 口h b 分另0 由2 3 6 m p 年口h b l8 3 提高至02 8 4 m p 并口h b 2 2 4 。 3 、通过对气缸套离心铸造过程以及出型后冷却过程温度场的数值模 拟。结果表明气缸套在型内冷却到出型温度8 5 0 所需要的时间约7 0 0 s ， 并根据模拟结果绘制了铸件从铸造到室温整个过程中的连续冷却曲线。 广西人学颂：卜学位论文 贝氏体扶铸铁汽缸套生产_ t 艺摧础研究 关键词：贝氏体灰铸铁等温淬火温度场数值模拟 广西火学颂：i ：学位论文 贝氏体灰铸铁汽缸套生产t 艺基础研究 t h eb a s l cs t u d yo ft h ep r o d u c l n go f b a l n l t eg r e yc a s tl r o nc y l i n d e r a b s t r a c t t h ep a p e rd i s c u s s e dh o wt o g e t t h em i x e dm i c r o s t n l c t u r ew h i c hw a s m a i n l yb a i n i t ea f t e rt h ec a s t i n go fg r a yc a s ti r o nb yc o n t r 0 1 l i n gt h ec 0 0 1 i n gr a t e a f l e rm o u l d i n g t h et e m p e r a t u r en e l d o fc e n t r i m g a lc a s t i n g ，t h ep m c e s so f a u s t e p e r i n ga n dc o o l i n gi n a i rw e r es i m u l a t e db yu s i n ga n s y sf e as o n w a r e t h ep a p e ro b t a i n e dt h eb e s tp r o c e d u r ew h i c hw a st oo p e nt h ec y l i n d e ra t7 0 0 s a n dt h e na u s t e m p e rt h ec a s tb a s e do nm ea n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h e c o o l i n gp r o c e s so ft h ec a s t i n g t h ea b o v es t u d yp r o v i d e s ar e f e r e n c et oi h e p r o d u c i n go f t h eb a i n i t eg r a yc a s ti r o nc y l i n d e r t h em a i nc o n c l u s i o n s a r ea sf b l l o w s 1 b a s e do nt h es y s t e m i cs t u d yo ft h ea u s t e m p e r i n gp r o c e s so fg r e yc a s t i r o n ，t h em i x e dm i c r o s t r u c t u r ew h i c hw a sm a i n l yb a i n i t ew i mf a y c a s ii r o n c o u l db eg o tt h r o u 曲m ef o l l o w i n gs t e p sa st h ee x p e r i m e n to f r e r e di nt h ep a p e r f i r s t l y ，t h ef e y c a s ti r o nw a sk e p th e a tp r e s e r v a t i o na t8 6 0 f o r2 h ，a 1 1 dt h e n w a sa u s t e m p e di nb r i n ea t3 0 0 f o r1 5 h t h eh a r d n e s sa n di m p a c tt o u g h n e s s b o t hi m p r o v e de v i d e n t 】y _ t h eh a r d n e s si m p r o v e d 疔o mh v 9 6t oh v l9 6 ，a n d m e a n w h i l et h ei m p a c tt o u g l l n e s si m p r o v e d 仔o m1 0 6 9 j c m 2t o3 4 5 2 j c m 2 2 b a s e do nt h ec o n l p a r i n gs t u d yo ft h ea u s t e m p e r i n gp r o c e s sd i r e c t l ya f t e r 广西火学硕1 ：学位论文 贝氏体扶铸铁汽缸套生产丁艺基础研究 t h ec a s t i n go f 伊a yc a s ti r o n ，w ec o u l dg e tt h em i x e dm i c r o s t n j c t u r ew h i c hw a s m a i n l yb a i n i t eb yt h ew a yw h i c hw a st oa u s t e m p e rt h e 矿a yc a s ti r o na t3 0 0 f o r1 5 ha f t e rc a s t i n g c o m p a r e dw i t hc h ec a s tw h i c hh a dn o tb e e na u s t e m p e r e d ， c h ep u l l r e s i s t a n c eo ft h ec a s tw h i c hh a db e e na u s t e m p e r e di m p r o v e d 疳o m 2 3 6 m pt o2 8 4 m p ，a n dm e a n w h i 】et h eh b i m p r o v e df 沁mh b l8 3t oh b 2 2 4 3 b a s e do nt h en u m e r i c a ls t i m u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r e6 e l dd u r i n gt h e p r o c e s so fc e n 臼j n 唱a lc a s t i n ga n dc 0 0 1 i n gb yu s i n ga n s y sf e as o n w a r e ，t h e a p p r o p r i a t et i m et oo p e nt h ec y l i n d e rw a sa b o u t7 0 0 sw h e nt h et e m p e r a t u r ew a s 8 5 0 i nt h ec y l i n d e r t h ew h o l ec 0 0 1 i n gc u r 、，eo ft h ec a s tw a sd r a w l l 仔o m c a s t i n gt ot h em o mt e m p e r a t u r ea c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a ls t i m u l a t i o n k e yw o r d s ： b a i n i t e ；g r e y c a s ti r o n ； a u s t e 盯l p e r i n g ；t e m p e r a m r ef i e l d ； n u m e r i c a ls t i m u l a t i o n 广西大学硕i ：学位论文j 氏体灰铸铁汽缸套生产丁艺基础研究 1 1 本课题意义 第一章绪论 汽车工业是广西工业发展的支柱产业，对广西经济的发展起着重要的推动作用。汽 缸套是内燃机中重要的易损件之一，其性能的好坏直接影响内燃机的性能和寿命，高性 能汽缸套的应用能够很大程度上提高内燃机的整体水平，从而对汽车的性能产生重要影 响。目前，汽缸套的生产普遍采用h t 2 0 0 ，h t 2 5 0 作为基础材料，然后根据性能和市场 需要采用不同的后续处理。目前国内外各生产厂家都在致力于研究如何在成本增加不大 的情况下，生产高性能的铸铁汽缸套，普遍采用的方法主要集中在铸铁中加入多种合= ；： 元素，以改善灰铸铁的基体组织，从而提高性能。本文旨在通过对灰铸铁浇注后冷却速 度的控制，探讨在铸造后直接获得以贝氏体为主的混合基体组织的灰铸铁的生产方法， 为贝氏体灰铸铁汽缸套的工业化生产提供依据。 1 2 贝氏体灰铸铁的研究概况 12 1 贝氏体的组织特征 贝氏体组织十分复杂，以至对贝氏体的定义至今未取得同一认识。据目前多数人的 观点【2 】i 大体上可以把贝氏体描述成由板条状铁索体和碳化物( 有时还有残余奥氏体) 组成的非片层状组织，以示与珠光体这种片层状组织相区别。出于贝氏体中铁素体和碳 化物的形态和分布情况多变，使贝氏体显微组织呈现为多种形态。通常贝氏体分为：上 贝氏体、下贝氏体、柱状贝氏体和粒状贝氏体等。其中以上贝氏体和下贝氏体最为常见， 粒状贝氏体次之。 上贝氏体是在贝氏体转变区较上部的温度范围内形成的。它是由成束的、大体上平 行的板条状铁素体和条问的呈粒状或条状的渗碳体( 有时还有残余奥氏体) 所组成的非 片层状组织，在光学显微镜下通常呈现出羽毛状。下贝氏体是在贝氏体转变区下部的温 度范围内形成的，它是由铁素体和铁素体中里一定位向排列的细小碳化物构成的组织， 在光学显微镜下通常呈现出黑色的针状。 广两人学坝i 学位论义姒氏体扶铸铁汽缸套生产丁岂捧础研究 l22 贝氏体的转变机制 贝氏体组织是1 9 3 4 年d a v e n p o n 和b a i n 在钢中发现的，既奥氏体在珠光体转变温 度以下、马氏体形成温度以上，经等温或连续冷却分解形成的组织。五十年代开始，人 们对钢中的贝氏体相变进行了大量的研究工作【2 1 。首先，柯俊等人以贝氏体转变时的表 面浮突效应为依据，首次提出了类似马氏体相变机制。这种观点后来被h e h e m a n n 等人 所继承、深化和发展。到了六十年代，a a r o n s o n 和他的同事根据合金热处理力学的研究 结果认为，在贝氏体转变温度区问内，相变驱动力不能满足切变所需能量。他们认为， 贝氏体相变在本质上应属于特殊的共析转变，随后徐祖耀等人对贝氏体相变进行了进一 步深入的研究，继承、深化和发展，于是就有了“切变理论”与“扩散理论”两种贝氏 体转变机制。 扩散机制和切变机制可分别用下面的符号简单表示： 1 ) 扩散机制 1 r - + o + f e 3 c 2 ) 切变机制： y _ o7 ( 同成份) 然后o ，_ - o “+ f e ，c 目前关于贝氏体相变的讨论主要集中在贝氏体的定义、铁索体长大机制、碳化物来 源、魏氏组织铁素体奥氏体的界面结构，界面迁移机制、表面浮突、台阶机制模型等。 随着现代材料测试手段的不断提高，对贝氏体超微结构的认识逐步深入，关于贝氏体的 争论内容逐渐由形态学、热力学，扩展到对相变动力学、转变不完全性、溶质拖曳及类 拖曳效应等的争论。 尽管对贝氏体相变机制存在不同的看法，但是对贝氏体相变的特征表象认识是一 致的，即：贝氏体转变是一个形核和长大的过程；贝氏体转变时，铁素体也与母相 奥氏体保持一定的晶体学位相关系，新相具有特定的惯习面，贝氏体与母相的晶体学关 系与马氏体相似：贝氏体转变有表面浮突效应；碳化物分布状况随形成温度而异； 贝氏体转变具有不完全性：贝氏体铁素体中有一定数量的位错存在。 1 2 3 贝氏体铸铁的性能特点 自从1 9 4 8 年美国的m o r r 曲通过等温热处理得到具有贝氏体组织的高强度球墨铸铁 广两大学顾i ：学位论文贝氏体灰铸铁汽缸套生产工艺基础研究 以来，贝氏体铸铁就以其优良的性能获得人们的青睐。贝氏体铸铁主要以贝氏体组织为 基体，再加上残余奥氏体和石墨( 或碳化物) ，另外根据获得贝氏体组织工艺的不同， 有些组织中还存有少量马氏体组织。研究表明铸铁通过合理的工艺方法获得贝氏体后， 其性能有很大的提高。比如使铸铁有更好的韧性、更高的强度。现在贝氏体球墨铸铁的 抗拉强度可达1 0 0 0 m p a 以上，延伸率达1 0 ，弯曲疲劳强度可与锻钢相当1 3 】o 1 24 合金元素对灰铸铁组织和性能的影响 在钢铁材料中为了获得理想的贝氏体组织，通常需要加入对显微组织形态和性能有 重要影响的钼、镍、铜、铌、硼、铬等合金元素3 】1 4 ) 【5 聃1 。 硅能提高共析转变温度，加宽共析转变的范围，缩短珠光体和贝氏体转变的孕育期， 这是由于硅能降低碳在奥氏体中的溶解度，从而降低了奥氏体的稳定性，使相变加速。 此外，硅能促使碳化物分解，研究表明硅在铸铁中具有促进石墨化的作用。一般认为硅 3 时，会使铸铁韧性降低，故要求高韧性时应不超过3 【3 】。 锰能溶于铁素体和渗碳体，增强铁和碳原子的结合力，可扩大奥氏体区，降低过冷 奥氏体的分解速度，抑制珠光体转变，提高奥氏体稳定性，显著提高淬透性，使c 曲 线右移，同时锰也抑制下贝氏体的形成，延长低温淬火时间。在连续冷却过程中锰作为 合金元素可显著提高淬透性，但当锰量过高时，将易于偏析在晶界与碳生成( f e ，m n ) 3 c ，降低塑性和强度。因此加入量一般为2 3 【3 】。 钼是贝氏体铸铁中最常用的合金元素，随着钼量的增加，c 曲线右移，不仅有效提 高淬透性，而且有利于铸铁中出现贝氏体。钼溶解在铁素体内时，既可以强化铁素体， 也提高铁索体和珠光体形成的临界温度，促进贝氏体组织形成。但钼又是一个强烈的f 偏析元素，很容易偏聚并在晶界处形成碳化物。当钼 0 3 时会产生严重的偏析和形成 m o c 、m o ：c 等，使塑性下降。加入o 3 一o 8 的钼在连续冷却中可避免析出珠光体，延长 贝氏体转变孕育期，减弱组织对时间的敏感性，生成较多的贝氏体，同时也会有较多碳 化物形成。过多的钼会使残余奥氏体量增多，空冷后部分转变为马氏体，贝氏体被又硬 又脆的马氏体网割裂，冲击韧性下降。钼的加入量不仅取决于铸件的壁厚与要得到的力 学性能，而且还要考虑钼在晶界处偏析的影响。一般来说，钼的加入量范围为0 2 一1 5 为好。 在贝氏体铸铁中镍是常加入的合金元素之一，它对铸件的影响比其他合余元素有 广西大学硕j ：学位论文! ! 氏体灰铸铁汽缸套生产工艺基础研究 更多的优越性：易加入；无共晶碳化物和晶i 刨沉淀，镍元素可以较强地推移c 曲线，提 高淬透性；减慢贝氏体的转变速度。镍能提高贝氏体铸铁件塑性，但镍在晶核处偏析， 是负偏析元素，高的含镍量会造成组织不均，故需加入另外一种与镍具有相反偏析方式 的合金元素使组织均匀。加入合金元素钼或锰，可使显微组织均匀，提高断面组织的均 匀性，消除了各自合金元素偏析带来的不利影响。 铜在次结晶时是在个中等促进石墨化元素，当含量小于2 时对改善石墨的形念 有良好的作用，特别在球墨铸铁中，可以改善石墨球圆整度。铜在共析转变过程中阻碍 石墨化，促使固溶于奥氏体中的碳以共晶渗碳体析出，形成珠光体，细化组织，降低沿 断面组织的敏感性，是一种改善铸铁性能的有效元素。含铜量一般控制在o 2 一o 8 。 在贝氏体球铁中，铜和镍都能提高淬透性，稳定奥氏体，细化晶粒，降低奥氏体等温转 变产物对时问的敏感性，显著提高贝氏体铸铁的塑性和韧性。因而可用铜部分代替镍。 铌主要作用是提高其强韧性。其原因为：铌与铁有相近的原子半径，铌可在铁素体 中起到固溶强化作用，铌有较好的孕育作用，不易衰退，同时还可以促进球化，因而能 细化组织。铌与碳可在凝固初期形成n b c 等化合物，这些化合物均匀地分布在基体上， 形状多为四边形或多边形，像铆钉一样铆在基体上，有效阻碍了金属在变形过程中晶界 的滑移，同时n b c 的存在也阻碍了裂纹的扩展和传播。含铌量一般控制在o 1 5 以内。 硼可以显著地提高合金钢的淬透性，而在铸铁中硼是强烈的抑制石墨化元素，显著 地增加自口倾向，但只要有微量的硼固溶到高温奥氏体中可以提高铸铁的淬透性，而目 前有关硼对铸铁淬透性的影响情况的研究报道不多。有研究表明对化学成份是碳 3 4 3 8 、硅2 0 3 o 、锰2 0 3 o 的铸铁，加入微量硼后可显著提高铸铁的淬透性。 原因是硼偏聚于奥氏体晶界、改变晶界结构，使之具有低能量水平、降低先共析铁素体 晶核形成的有效性。硼极易与氧、氮形成化合物，减少提高淬透性的有效含硼量。 磷在铸铁中有偏析倾向，易在晶界处形成磷共晶，严重降低铸铁的韧性，磷还增大 铸铁的缩松倾向，当要求铸铁有高韧性时，应将含磷量控制在o 0 7 以下。 硫易沿品界偏析，阻碍碳原子扩散，强烈促进白口生成。硫易与球化元素化合形成 稀土、镁的硫化物，不仅造成球化不稳，球化剂消耗大，而且还使夹杂物数量增多，破 坏了基体的完整性而形成裂纹源，故应控制硫的含量。 在单个合金的作用比较明确的情况下，众多研究者又对它们的复合作用做了详细研 究。以锰钼代替镍钼，在不降低其性能的情况下降低了成本，获得优良的以贝氏体为主 的基体组织。有资料指出锰和铜加入量为：m n 3 o 一4 5 ，c u 2 2 3 5 。 4 广两大学颂：i ：学位论文j j ! 氏体灰铸铁汽缸套生产工艺幕础研究 含o 0 6 一o 15 n b 和0 7 一1 3 c u 的c u n b 铸铁具有很高的综合力学性能。锰在o 1 ， 铜 o 3 以下可获得高强度高延伸率的铸铁。 在实际生产中，合金成份的选择主要从三个方面考虑：工件的组织性能。例如， 生产以奥氏体+ 贝氏体组织的高强度、高韧性贝氏体球铁，应加入较高的n i 、c u 等稳定 奥氏体、抑制碳化物形成的元素；生产以贝氏体+ 少量碳化物组织为主的高耐磨性贝氏 体球铁，应加入较多的m o 、m n 等提高淬透性的元素；生产工艺。等温淬火奥贝球铁 可少加合金元素，以降低成本；而连续冷却淬火，特别是铸态贝氏体球铁是在连续冷却 条件下发生贝氏体转变，应多加有利于提高淬透性的元素；工件的壁厚。合金元素的 加入量应随壁厚的增大而增加。 综上所述，加入合金元素对贝氏体铸铁有着及其重要的作用，但加入量要很好地匹 配，过或不及都将降低它的综合力学性能。应根据各种合金元素在球铁中所起的作用， 同时还要考虑生产成本，合理选择合金元素。 l2 5 贝氏体灰铸铁的发展现状 目前，为了获得贝氏体灰铸铁普遍采用以下几种方法：通过合金化在铸态下直接获 得贝氏体狄铸铁；微合金化配合后续热处理获得贝氏体次铸铁：贝氏体等温淬火获得贝 氏体灰铸铁。 合会化在铸态下获得贝氏体灰铸铁 这种方法是在狄铸铁中加入多种合金元素，通过这些合金元素单方面或交互影响促 使扶铸铁在铸造凝固过程中得到贝氏体为基体的组织。云南工学院舒信福等人通过对灰 铸铁铬钼镍铜的合金化得到铸态贝氏体基体的灰铸铁”。研究结果表明，当铬钼镍铜四 种合金的加入量( ) 分别为：c r o 3 o 5 ，m 0 0 4 o 8 ，n i 0 6 o 9 ，c u 0 4 0 8 ，并且铬 钼镍铜按照比例1 ：( 1 5 2 ) ：1 8 ：1 2 ，在此比例下得到的铸态贝氏体灰铸铁组织中的 贝氏体可达8 0 左右，其余为珠光体和白色的( m a ) m 组织，用x 射线衍射仪测定， 此材料中残余奥氏体含量约为1 0 。在此组织状态下，狄铸铁获得较高的综合力学性能， 抗拉强度可超过4 5 0 m p a ，o 。1 7 9 j c m 2 。 微合金化配合后续热处理获得贝氏体灰铸铁 微合金化配合后续热处理获得贝氏体灰铸铁的工艺方法是通过对铸铁加入微量合 金元素，在浇铸冷却过程中，打箱温度控制在奥氏体转化温度区间内，打箱后将试件快 广西人学顾。i j 学位论文 贝氏体灰铸铁汽缸套生产工艺基础研究 速冷却到贝氏体转变温度区间内进行等温转变。云南工学院舒信福等人通过在9 5 0 打 箱，然后用改性后的3 2 # 机油冷却到3 4 0 后转到自制的保温箱中进行保温，保温时间 为3 0 m i n ，在此工艺条件下获得了贝氏体组织【9 1 。 贝氏体等温淬火获得贝氏体灰铸铁 通过等温淬火获得贝氏体基体的灰铸铁是一种传统方法，这种方法工艺过程容易控 制。等温淬火的组织和性能同灰铸铁原始组织有密切关系，但由于成本较高，这种方法 没有被广泛的采用，研究表明不同的原始组织经等温淬火后其性能和组织存在很大差 异。 1 3 铸造过程的数值模拟基本方法及研究现状 1 3l 数值模拟基本方法 在铸件凝固过程的数值模拟计算中都是把连续体进行离散，从而把偏微分方程变成 代数方程组进行求解。宏观数值模拟的基本方法主要有：有限差分法，有限元法和边界 元法。近年来，由于模拟微观形核、枝晶生长及液一固界面移动等物理现象的需要，又 引入了一些新的数值模拟方法，如有限体积法、网点点阵法等28 1 。下面就目前最广泛应 用的一些方法作简要介绍： 一、有限差分法( f d m ) 有限差分法以离散数学为基础，把研究物体从时间、空间上分割成许多小单元，对 这些单元用差分代替各类微分方程，设定合适的初始条件和边界条件，逐个计算各个单 元。在处理铸造过程温度场中特殊问题时，如对充型、缩孔等动态边界问题的处理上这 种方法具有较强的优势，但其稳定性要求决定了在离散化时对距离步长与时间步长的选 用受到一定制约【2 引。 二、有限元法( f e m ) 有限元法是目前工程技术领域中实用性最强，应用比较广泛的数值模拟方法。它的 基本思路是将求解区域离散为有限的按一定方式相互联结在一起的单元组合体，通过构 造插值函数，根据变分原理或加权余量法( 方程余量和权函数正交化) ，建立有限元方 程。由于有限元法节点配置的方式任意性，对于形状复杂的形体可以使边界节点完全落 在区域边界上，使边界有较好的逼近。其它数值方法相比，有限元法的突出优点是能够 求解具有复杂的几何边界条件、几何形状和不均匀材料闯题，所以更适合用于对铸造系 广西人学i 西i ：l j 学位论文贝氏体灰铸铁汽缸套生产工艺基础研究 统等各种复杂问题进行分析。 计算机技术的发展，特别是近几年通用有限元软件的发展，如n a s t r a n 、a n s y s 、 p a t r a n 等，为有限元分析提供了强大的支持。 三、边界元法( b e m ) 边界元法是使微分方程乘以某个权函数后再对求解空间进行积分。当利用格林公式 将方程展丌，如能适当选择权函数，使其中体积分项为零，则问题就转化成仅仅对边界 进行线积分。这意味着利用边界元法可将实际问题降低一维来处理，它也同样对网格划 分没有严格限制，对于稳态问题甚至无须处理内部区域，只需对边界进行分割即可。显 然，边界元法的公式推导及运算过程都比较复杂，计算工作量也较大。尤其对非稳态问 题，内部区域仍需网格划分。总的来说，边界元法仍处于发展阶段，在凝固过程的数值 模拟中它的应用不如上述两法广泛。 】3 ，2 数值模拟的基本内容和研究现状 铸造过程数值模拟技术( c a e ) 经过了四十年的发展历程，其间，从简单到复杂、从 温度场发展到流动场、应力场，从宏观模拟深入到微观领域，从普通的重力铸造拓展到 低压、压铸等特种铸造，从实验室研究进入到工业化实际应用。特别是近些年来，在包 括计算机硬件、软件、信息处理技术以及相关学科的强有力的支持下，数值模拟技术在 人类社会的各个领域得到了广泛的应用，取得了长足的进步。如果说十年前，多数铸造 模拟仿真技术还主要局限在实验室内的话，那么十年后的今天，已有众多的企业纷纷采 用数值模拟技术，应用于实际生产。目前欧美日等西方发达国家的铸造企业普遍应用了 模拟技术，特别是汽车铸件生产商几乎全部装备了仿真系统，成为确定工艺的固定环节 和必备工具。九十年代中后期以来，国内铸造厂家逐渐认识到其重要性，纷纷引入该技 术，目前已有超过2 0 0 家铸造企业拥有模拟仿真手段，在实际生产中起到了较为重要的 作用。作为铸造领域的高新技术，模拟仿真领域的理论研究和应用开发非常活跃，其内 涵和外延不断得到丰富与拓展。结合目前国内外研究现状得到铸造过程的数值模拟主要 集中在以下几个方面。 一、凝固过程温度场的模拟计算 自2 0 世纪6 0 年代，对铸件凝固过程中传热和温度场的数值模拟己开展一系列基础研 究，包括各种算法、边界条件，初始条件处理、潜热释放等。目前一般砂型铸造和压铸 广西人学顾i 学位论文贝氏体灰铸铁汽缸套生产丁艺基础研究 等铸造过程，凝固过程的温度场计算己成熟，但在计算精度和效率方面仍在深入研究中， 更多的是应用研究成果来优化工艺设计。中国清华大学董怀字等为提高模拟过程的效 率，对计算时间步长进行研究，提出铸件单元在凝固期间，从液相线到固相线的时间跨 度概念，建立了时间步长优化模型。根据凝固进程发展，同样数量的剖分单元经历液相 线到固相线的时间跨度将会不断增长的事实，将不断选取更大的时间步长，来提高计算 效率。对一实际铸件用均匀时间步长和动态优化时间步长进行模拟比较，模拟温度场和 预测缩孔缺陷在两种情况下一致，即模拟精度一样。采用动态时间步长优化法能适当增 大凝固模拟时间步长，减少计算次数，缩短整个铸件模拟计算时间，提高模拟计算效率。 二、铸造充型过程三维速度场和温度场的模拟计算 自2 0 世纪8 0 年代以来，铸造领域中充型过程速度场的数值模拟引起了广大材料工作 者的关注，丌展了大量研究，包括各种速度场算法研究，诸如m a c ，s m a c ，s 0 l a ，s 0 l a v o f ， c o m h i i x ，s i m p l e 和s i m p l e r 等来求解n a v i o r s t o c k s 动量方程，计算层流流动时三维速 度场。1 9 9 5 年，在英国召丌的第七届铸造、焊接和凝固过程模拟会议上，英国伯明翰大 学b s i r r e l l 等公布了标准试验( t h eb e n c h 蹰r kt e s t ) 结果“”。试验合金选择纯铝， 铸型材料选择树脂砂，直浇道被设计得较高，人为造成一种湍流充填效果，用x 射线摄 像技术记录金属液充填状态变化。有9 个研究小组在未知试验结果的前提下对试件形成 过程模拟计算，验证各自软件的精确性。结果表明，大部分计算充填状态随时间变化与 试验结果接近，可预报卷气孔缺陷形成，铸件充型过程中温度场变化趋势及最后凝固部 位预报较为准确，反映了速度场计算已趋成熟。德，美，日，瑞典和中国等都开发出 速度场和温度场计算软件。在此基础上，向深度和广度发展。中国台湾文瑞哲等开发了 离心铸造充型过程计算机模拟系统1 。该系统由两个模块构成，一个模块用在组合铸件 中任一位置离心力的计算，它与旋转速度、组合铸件与横浇道间倾斜角度、铸造工艺设 计条件有关：另一个模块是离心力在动量方程中的应用。该模拟系统在有2 9 个叶片透平 圆盘铸件的离心铸造上试用，分析充型过程中熔融高温合金流体流动现象，且离心铸造 和精密铸造结合进行。该模拟系统用来优化工艺设计，模拟结果显示，浇注系统横浇道 与组合铸件问倾斜角度小时，先充满圆盘下部叶片，后充满圆盘上部叶片，当倾斜角度 变大时，充型模式变为先充满圆盘上部叶片，后充满圆盘下部叶片。最佳充型模式是横 浇道与组合铸件间的倾斜角为2 0 度且内浇口与铸件垂直。除在模拟广度上对充型过程数 值模拟进行研究外，在模拟深度上也在不断发展。铸造过程流体流动是种典型多相流 动。确切说，铸造许多问题都与多相流动有关例如熔融金属充型过程、卷气、渣的流 广西火学硕士学位论文贝氏体灰铸铁汽缸套生产丁艺基础研究 动、乐铸排气、消失模铸造中气体逸出等。显然，要准确分析这些现象，数值模拟多相 流动技术是必要的。迄今为止，由于多相流动模拟困难，大多数商业化铸造模拟软件还 不具备多相流动模拟能力。复杂多相流动意味着一些关键问题必须考虑( 如湍流流动， 表面张力热传导和相变等) 。为准确模拟多相流体，这些关键问题须同时适当处理。 中国陈立亮等开展了铸造过程复杂多相流动模拟研究“”。在回顾以往流体流动模拟基础 上，建立多相流动数学模型，来描述多相流体问题，包括湍流，表面张力，热传导和相 变等。在有限差分技术基础上用i p s a ( i n t e rp h a s es 1 i pa 1 9 0 r i t h m ) 数学模型可解出 多相流体中每相的行为。此外，为得到熔融金属充型和卷气的流量，计算了空气和流体 两相问题。根据模拟，获得了优化工艺参数，用以减少卷气缺陷。实际应用表明，多相 模拟技术将扮演重要角色。总之，充型和凝固过程速度场和温度场数值模拟，仍在不断 研究，不断向深度和广度进展，人们仍在寻找更快速，更精确计算方法，在更多铸造领 域应用。 1 4 本课题的研究内容 从上面综述可知目前有关灰铸铁在铸态下直接获取贝氏体的研究相对还不够深入， 相关文献尚不多见。本文拟从控制普通灰铸铁铸造冷却过程入手，对普通灰铸铁的组织 和性能进行研究，为贝氏体灰铸铁气缸套的工业化生产研究打下基础。本文将从以下几 个方面进行研究： 1 、对普通灰铸铁的等温淬火热处理工艺进行研究： 2 、对普通狄铸铁铸造冷却过程的控制迸行研究： 3 、对所获得贝氏体狄铸铁的组织和性能进行测试。 4 、对灰铸铁离心铸造过程的温度场进行数值模拟，得到出型时间和出型时的温度 场，并对等温淬火以及空冷过程铸件温度场进行数值模拟，以期对今后贝氏体灰铸铁汽 缸套的工业生产提供依据。 9 广西大学顾一卜学位论文 贝氏体灰铸铁汽缸套生产t 艺基础 j 究 2 1 前言 第二章灰铸铁等温淬火工艺和性能的研究 本章主要研究等温淬火热处理工艺对灰铸铁组织和性能的影响，从而确定出生产贝 氏体灰铸铁合适的热处理工艺以提高灰铸铁的强度。 2 2 实验材料 采用普通灰铸铁为实验材料，化学成份见表2 一l 经测定其在铸态下材料的维氏硬度为h v 9 6 ，布氏硬度为h b l 5 3 ，冲击韧性为 1 0 6 9 j c m 2 。根据布氏硬度与抗拉强度的经验关系式推知本次试验所用铸铁材料的抗拉 灶度o 。为1 9 6 m p a ，相当于h t 2 0 0 。图2 一l 为实验用铸铁材料的金相显微组织，从图中 、 可以看到，其基体为珠光体，有磷共晶存在，根据铸造手册提供的依据可以判断石墨形 态为片状a 型。 图2 1 灰铸铁的铸态组织( a 5 0 0 b 1 0 0 0 x ) f i g 2 1 m i c m s n l l c n l r eo f a s c a s t i n gg r a yc a s t i r o n ( a 5 0 0 b 1 0 0 0 ) o 广西大学硕： ：学位论文贝氏休灰铸铁汽缸套生产工艺摧础研究 表2 1 原材料化学成份( w t ) 化学元素 s im nps c 化学成份( ) 2 21 80 1 0 0 1 0 3 1 2 3 实验方法 23 1 材料的热处理实验 材料的热处理实验采用高温箱式电阻炉加热，在外热式低温盐浴炉中进行等温淬火。 对于灰铸铁贝氏体等温淬火热处理工艺来说，奥氏体化温度、奥氏体化保温时间、等温 淬火温度和等温时间对试样的组织和性能都有重要影响。因此，本次实验分别选定了四 套热处理方案，每套方案的热处理工艺曲线如图2 2 所示。其中： 曩 温t a c 时间( t ) 温 度 b 图2 2 热处理工艺曲线图 d 时间( t ) 广西人学硕i 学位论文贝氏体灰铸铁汽缸套生产_ t 艺耩础研究 第一套方案，研究奥氏体化温度对灰铸铁组织和性能影响的热处理工艺曲线如图 2 2 a 所示，在奥氏体转变温度区间内取5 个温度点，考察奥氏体温度的影响，确定较好 的奥氏体化温度，从t i t 5 分别为8 0 0 、8 3 0 、8 6 0 、9 0 0 和9 5 0 ，奥氏体化 保温时间t 为1 5 h ，等温淬火温度t 为3 0 0 ，等温淬火保温时间t 为1 5 h 。 第二套方案，考察奥氏体化等温时间影响的热处理工艺曲线如图2 2 b 所示，其中 奥氏体化温度t l 为由图2 2 a 确定的最佳温度，其奥氏体化保温时间从t l t 4 分别为1 h 、 1 5 h 、2 h 和2 5 h ，等温淬火温度t 为3 0 0 ，等温淬火保温时间t 。为1 5 h ； 第三套方案，对等温淬火温度研究的热处理工艺曲线如图2 2 c 所示，其奥氏体化温 度t 和保温时间t 分别为由图2 2 a 和由图2 2 b 确定的最佳温度和保温时间，而等温淬 火温度考虑到贝氏体转变温度区间从t l t 3 分别为2 6 0 、3 0 0 和3 6 0 ，等温淬火 保温时间t ，为1 5 h ： 第四套方案，对等温淬火保温时间研究的热处理工艺曲线如图2 2 d 所示，其中奥 氏体化温度t 、奥氏体化保温时间t 和等温淬火温度t o 分别是上面实验确定的较好的奥 氏体化温度、奥氏体化保温时间和等温淬火温度，在此次实验中对等温淬火保温时间从 t f t 3 分别取l h 、1 5 h 和2 h 。 2 32 硬度实验 采用德国z w i c k 万能硬度机对原材料和各种热处理后的试样进行硬度测试，本次实 验主要对试样的h v 和部分试样的h b 进行了测量，在每种硬度试样上打三个点，取其平 均值作为该试样的硬度测量值。 2 3 3 冲击实验 冲击实验在德国z w i c k 瓜o e l l 4 5 0 摆锤式冲击实验机上进行。冲击试样按照国标 g b 9 4 3 9 8 8 的规定制成l o m m 1 0 m m 5 5 m m 无缺口试样，其表面光洁度要求达到3 2 ， 如图2 3 所示，每组试样加工三个，其平均值作为冲击韧性的实验值。硬度试样、金相 试样和断口试样均是在做完冲击实验后的试样上按标准截取。 广西人学顾| j 学位论义贝氏休狄铸铁汽缸套生产t 岂璀础 】f 究 23 4 显微组织观察实验 气e 图2 3 冲击试样 f i g 2 3 t h es a m p l eo fi m p a c tt o u g h n e s s 在冲击试样上截取显微组织观察试样，试样进抛光后，采用4 的硝酸酒精溶液腐 蚀，在德国l e i c a 公司生产的图像分析仪上进行显微组织观察。采用日立s 一5 7 0 型扫描 电镜对断口进行了观察。 2 4 实验结果 2 4 1 方案一 冲击韧性和硬度 试样在图2 2 a 工艺下测得的冲击韧性和维氏硬度如表2 2 所示，根据表2 2 将其 平均值绘制成折线图分别如图2 4 和图2 5 所示。就本次实验而言奥氏体化温度在8 6 0 时，冲击韧性和硬度均达到最佳值。 表2 2 灰铸铁在不同奥氏体化温度下冲击韧性和h v 奥氏体化温度( ) 80 08 3 08 6 0 冲击韧性 各试样值3 16 13 18 33 18 13 3 0 93 3 153 3 123 3 8 63 3 9 03 3 7 6 ( j c m 2 )平均值3 17 5 3 3 12 3 _ 3 8 4 各试样值l2 4l2312 5 14 81 4314 718 618 918 6 h v 平均值1 2 41 4 61 8 7 奥氏体化温度( ) 9 0 0 9 50 冲击韧性 各试样值 2 9 2 52 93 52 9 3 32 8 5 4 2 8 4 32 8 5 0 ( j c m 2 )平均值2 9 3 12 8 4 9 各试样值 1 6 51 6 81 6 513 413 013 2 h v 平均值1 6 6 1 3 2 厂1 两人学坝：i j 学位论义肌氏体扶铸铁汽缸套生产工艺摧础咿腕 8 0 0 8 3 0 8 6 0 9 0 0 盈度( )温度( ) 图2 4 奥氏体化温度对灰铸铁硬度的影响图2 5 奥氏体化温度对灰铸铁冲击韧性的影响 f i g 2 4 i n n u e n c eo f a u s t e n i t i z i n gt e m p e r a t u r ef i g 2 5i n n u e n c eo f a u s t e n i t i z i “gt e m p e r a t u r e o nh a r d n e s so f g r a y r o n o ni m p a c it o u g h n e s so f g r a yi m n 显微组织 灰铸铁在不同奥氏体化温度下等温淬火组织如图2 6 所示。 4 一?tr)g 印蚰们肋0 主世躞 广两大学顶：i ：学位论文贝氏体灰铸铁汽缸套生产丁艺耩础研究 图2 6 灰铸铁在不同奥氏体化温度下等温淬火组织图( 5 0 0 x ) f i g2 - 6 m i c m s t r u c t u r eo f a u s t e m p e r i n gh e a tt r e a t m e n tg r a y c a s t g r a ya tt h e d i f f e r e n ta u s t e n i t i z i n gt e m p e r a t l l r e 断口扫描电镜图 冲击试样断口的扫描电镜照片如图2 7 所示。 5 广西大学颂。卜学位论文 贝氏体扶铸铁汽缸套生产1 二艺捧础研究 图2 7 冲击试样断口扫描电镜图 f i g2 7t h e s e mf r a c t u r ep h o t o g r a p h yo fg r a yc a s ti r o n s ( a a sc a s t1 5 0 0 b 8 0 0 2 42 方案二二 2 0 0 0 c8 6 0 6 0 xd 8 6 0 1 0 0 0 ) 冲击韧性和硬度 试样在图2 2 b 工艺下测得的冲击韧性和维氏硬度如表2 3 所示，根据表2 3 将其 平均值绘制成折线图分别如图2 8 和图2 9 所示。就本次实验结果看奥氏体化保温时间 为2 h 时，硬度和冲击韧性具有最佳值。 广两人学倾i 学位论文 ! j ! 氏休扶铸铁汽缸套生产t 艺捧础研究 袁2 3 灰铸铁在不同奥氏体化保温时间的下冲击韧性和h v 奥氏体化保温时间( h ) 11 52 冲击韧性 各试样值 3 170318 43 17 13 3 8 63 3 9 0 3 3 7 63 4 6 13 4 4 83 4 4 7 ( j ，c m 2 ) 平均值 3 17 53 3 8 43 4 52 各试样值 1 4 014314 018 61 8 918 6 l9 8 1 9 02 0 0 h v 平均值1 4 118 719 6 奥氏体化保温时问( h ) 2 5 冲击韧性 各试样值 3 2 6 53 2 73 3 2 7 5 ( j c m 2 )平均值3 27 1 各试样值 17 217 117 3 h v 平均值 17 2 2 5 0 2 0 0 i 1 5 0 毯 群i 0 0 5 0 o 1 5 2 臭氏体化保扭时问( h ) a 5 34 5 a4 a3 5 3a ls225 时问( t i ) 图2 8 奥氏体化保温时问对硬度的影响图2 9 奥氏体化保温时间对冲击韧性的影响 f 嘻2 8i n n u e n c eo f h o l d i n gt i m ea tt h e f j g 2 - 9l n n u e n c eo f h o l d i n gt j m ea t i h e8 6 0 8 6 0 o nh a r d n e s so f g r a yj r o no ni m p a c tt o u 曲n e s so f g r a yi r o n 显微组织 灰铸铁在8 6 0 保温2 h 和2 5 h 的显微组织如图2 1 0 所示。 7 | 2： i 、h一寸罩旧也 广西人学烦“i ：学位论文 贝氏体狄铸铁汽缸套生产t 艺摧础研究 24 3 方案三 囤2 一lu8 b u o ，j u u l ，1 ) n) u u f i g 2 一1 0 8 6 0 ，3 0