（材料加工工程专业论文）球墨铸铁高温塑性变形行为研究及其应用.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 球墨铸铁作为一种廉价的结构材料，因其良好的耐磨性、减震性、低缺口敏感性以 及优良的切削加工性能和铸造性能，已广泛用于汽车、农业机械、机床、冶金机械等多 个领域，具有重要的应用价值和广阔的应用前景。目前，几乎所有的球墨铸铁件都是直 接铸造成型或经机加工后使用，为了达到强度的特殊要求，常规的处理方法是在球墨铸 铁冶炼过程中添加一些合金元素或者增加后续热处理工艺。但是，前者大大增加了球墨 铸铁的生产成本，后者耗时、耗能，且对环境污染严重。而塑性加工由于具有较高的生 产效率和材料利用率，并使得铸坯结构致密、粗晶破碎细化和均匀，从而显著提高机械 性能。因此，通过塑性加工使球墨铸铁获得近( 净) 终成形是提高球墨铸铁性能，扩展 其应用领域的有效途径。 本文以工业中最常用的q t 4 5 0 1 0 球墨铸铁为实验材料，利用物理模拟实验系统地 研究了球墨铸铁的塑性变形行为，分析了高温压缩过程中金属基体以及第二相石墨颗粒 的变化规律，进而探讨不同变形参数下微观组织的演变机制，利用优化的最佳变形温度 确定了q t 4 5 0 1 0 高温锻造和高温轧制工艺，并尝试了锻造余热淬火在球墨铸铁磨球上 的应用。主要研究结果如下： 利用物理模拟实验系统地研究了不同变形参数下q t 4 5 0 1 0 的高温塑性变形行为。 通过真应力应变曲线分析可知，球墨铸铁热变形过程中出现明显的加工硬化和加工软 化现象；曲线上峰值应力在不同应变速率下均随温度的增加而下降，而峰值应变随温度 的增加呈先增加后下降的趋势。q t 4 5 0 1 0 在6 5 0 9 5 0 温度区间，应变速率为o 0 1 1 0 s 1 时的热压缩变形激活能q = 3 9 1 5 2k j m o l ，流变应力。与z 参数表述的流变应力方程 为 盯：蕊1 i n ( 志) 1 6 0 1 4 + ( 志) 2 6 0 1 4 + 1 m 其中z 参数可表述为： 。 ，3 9 1 5 2 、 z = 揪p 1 尹) 发生动态再结晶的临界应变为 c = 0 6 1 s p 对球墨铸铁变形试样的基体组织观察分析表明：球墨铸铁在变形过程中存在形变诱 导相变现象。球墨铸铁中形变诱导铁素体转变温度比常规先共析铁素体转变温度提高 球墨铸铁高温塑性变形行为研究及其应用 1 5 0 ，且诱导相主要在变形的石墨颗粒周围以碎布块状形态存在；形变诱导珠光体转 变开始温度较未变形试样提高4 3 ，经奥氏体形变诱导珠光体转变后，珠光体发生球 化，即碳化物相为均匀分布于铁素体基底的极细的球状颗粒沉淀，其平均尺寸仅为3 3 8 n l t l ，而铁素体基底分割为许多等轴的亚晶粒，其平均直径仅为1 1 6l , t m 。 研究了变形参数影响石墨颗粒演变的规律，结果表明：随温度的升高，石墨体积百 分含量和石墨颗粒形状因子p ( 石墨短轴长轴) 呈明显下降趋势，而相邻石墨间距则逐 渐增加；当应变速率增加时，石墨间距略有下降，而石墨体积百分含量和石墨颗粒形状 因子p 均无明显变化；随着应变量的增加，相邻石墨间距和石墨颗粒形状因子1 3 呈明显 下降趋势，而石墨体积百分含量基本不变。 计算表明，石墨由球形演变为椭球状后，当外界拉应力方向与椭球长轴平行时，石 墨形状改变可缓和石墨对基体的应力集中效应。球铁热变形过程中，石墨发生塑性变形 是因受到基体的摩擦力，导致石墨沿主流变应力方向伸长，即最终的石墨破碎是拉伸断 裂而非脆性断裂，当变形量大于石墨颗粒破断的最小变形量( m i n ) 时石墨随即发生 破裂。 采用逐步逼近法得出q t 4 5 0 1 0 最佳压力加工温度区间。在该温度区间设计了球墨 铸铁的高温锻造和高温轧制工艺。锻造过程中，球墨铸铁发生奥氏体变形后的相变，得 到了间距小于0 3 1 9g m 的细珠光体，较常规正火珠光体片层间距( 0 4 6g m ) 小3 0 6 。 尽管锻件较铸态试样的伸长率降低了1 4 ，但是抗拉强度却由原来的5 6 0m p a 增加到 9 0 5m p a ，提高了6 1 6 ，抗弯强度增加了6 1 2 。当球墨铸铁轧坯的压缩比达到8 8 3 ( 压缩量8 9 ) 时仍保持良好板型，并未出现破碎现象，说明球墨铸铁具有良好的高温 可塑性。轧坯中心部位珠光体含量低于边缘部分，石墨由球形演变为片层状。优化轧制 参数后，轧坯抗拉强度较铸态球铁提高了2 6 5 ，尤其在平行轧制方向取样的冲击功达 到3 4j 。轧板出现各向异性，板坯平行轧制方向( 纵向) 的抗拉强度比垂直轧制方向( 横 向) 高18 9 ，延伸率高1 3 3 。 最后，本文进行了球墨铸铁磨球的锻造余热淬火实验，与常规淬火球墨铸铁磨球以 及含铬铸铁磨球相比，锻造余热淬火球墨铸铁磨球的马氏体组织由于继承了形变奥氏体 中的位错结构而得到充分细化，磨球边缘硬度值比常规淬火磨球的高5 3 。并且锻造 余热淬火磨球冲击韧性是常规淬火磨球和高铬铸铁磨球的3 倍。锻造余热淬火的磨球磨 损率比常规淬火球墨铸铁磨球的磨损率低5 3 1 ，比含铬铸铁磨球的磨损率低5 1 1 。 摩擦系数比常规淬火球墨铸铁磨球的低7 4 ，比含铬铸铁磨球的低9 6 。 关键词：球墨铸铁；塑性变形；石墨；形变诱导相变；锻造；轧制 大连理工大学博士学位论文 r e s e a r c ho nh o td e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fn o d u l a rc a s ti r o na n di t s a p p l i c a t i o n a b s t r a c t n o d u l a rc a s ti r o ni s w i d e l yu s e da s as t r u c t u r a lm a t e r i a li nv a r i o u sf i e l d s s u c ha s a u t o m o t i v ei n d u s t r y ，a g r i c u l t u r a lm a c h i n e r y ，m a c h i n et o o l sa n dm e t a l l u r g ya n ds oo n ，b e c a u s e o fi t ss e v e r a la d v a n t a g e so v e rs t e e li n c l u d i n gw e a l r e s i s t a n c e ，s h o c ka b s o r p t i o n ，m a c h i n i n g ， c a s t i n ga b i l i t i e s ，e s p e c i a l l yf r o mt h ee c o n o m i c a lp o i n to fv i e w a tp r e s e n t ，a l m o s ta l lo ft h e n o d u l a rc a s ti r o ni su s e dd i r e c t l ya sc a s to ra f t e rs i m p l ym a c h i n i n g a l t h o u g hi t sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sc a l lb ei m p r o v e dv i aa l l o y i n ga n dh e a tt r e a t m e n t su s u l l y ，a l l o y i n gi n c r e a s e st h e o p r a t i o nc o s t sa n dh e a tt r e a t m e n t sl e a d st oi n e f f i c i e n tp r o d u c t i o n ，e n e r g yd i s s i p a t i o na n d e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n c o m p a r e dw i t ht h e s et w of o r m e rp r o c e s s e s ，p l a s t i cd e f o r m a i t o n m e t h o di sam o r ee f f i c i e n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw h i c hl e a d st oap r o d u c tw i t ho p t i m a l p r o p e r t i e s ，n o to n l yf o rd i m e n s i o n a lp r e c i s i o na n da p p e a r a n c e ，b u ta l s ow i t hr e s p e c tt ot h e m e c h a n i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e s s ot h ea p p l i c a t i o n so fn o d u l a rc a s ti r o nw i l lb ee x t e n d e d s i g n i f i c a n t l yw h e nt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nm e t h o di se m p l o y e d i nt h ep r e s e n tp a p e r ，t h eh o td e f o r m a t i o nb e h a v i o r so fn o d u l a rc a s ti r o nw e r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yb yp h y s i c a ls i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h eg r a p h i t ep a r t i c l e s m o r p h o l o g ye v o l u t i o na n dp h a s et r a n s i t i o nd u r i n gt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o np r o c e s s ，i tc a nb e s e e nt h a tt h ef i n a lm i c r o s t r u c t u r eh a dac l o s er e l a t i o n s h i pw i t hd e f o r m a t i o np a r a m e t e r s ，s u c h a sd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，s t r a i nr a t ea n ds t r a i n i na d d i t i o n ，t h ed i ef o r g i n ga n dh o tr o l l i n g p r o c e s s e sp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d an e wq u e n c h i n gp r o c e s sf o rn o d u l a rc a s t i r o n ( q t 4 5 0 10 ) n a m e df o r g e - q u e n c h i n gh e a tt r e a t m e n tw a sd e v e l o p e d ，a n dp r e l i m i n a r yp r o c e s s s p e c i f i c a t i o nw a sp r o p o s e d m a i nr e s e a r c hd e t a i l sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： i no r d e rt os t u d yt h eh o td e f o r m a t i o nb e h a v i o r so fn o d u l a rc a s ti r o n ( q t 4 5 0 1 0 ) ， i s o t h e r m a l c o m p r e s s i o n t e s t sw e r ec a r r i e do u tw i t hag l e e b l e15 0 0o v e rar a n g eo f t e m p e r a t u r ef r o m6 5 0t o9 5 0 。ca n dc o n s t a n ts t r a i nr a t e sf r o m10 之t o10s t h ef l o wc u r v e s a r em a r k e db ya p e a ks t r e s sa n ds o f t e n i n gw h i c hd e c l i n ea st e m p e r a t u r er i s e s t h ep e a ks t r e s s d i m i n i s h e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r ea n dt h ed e c r e a s eo fs t r a i nr a t ew h i l et h ep e a k s t r a i np r e s e n t sam a x i m u mw i t hr i s ei nt e m p e r a t u r e t h ea c t i v a t i o ne n e r g yi s3 91 5 2k j m o l f o rn o d u l a rc a s ti r o ni np e a ks t r e s s t h ef l o ws t r e s s ( 叻o fn o d u l a rc a s ti r o nw a sd e s c r i b e dw e l l b yt h ez e n e r - h o l l o m o np a r a m e t e r ( z ) i i i 球墨铸铁高温塑性变形行为研究及其应用 仃o 0 0 0 4 8n ( 赤) ! 6 0 1 4 + ( 赤) 川4 + t 】，2 w h e r e ，z ：；e x p ( 婴墨) 尺l 。 t h er e l a t i o n s h i po fc r i t i c a ls t r a i nf o rd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ( d i 己x ) i n i t i a t i o na n dp e a k s t r a i nw a sd e s c r i b e db y 6 c = 0 6 1 c | 口 m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ep h a s et r a n s i t i o no c c u r sd u r i n gt h ec o m p r e s s i o n p r o c e s so fn o d u l a rc a s ti r o n t h et r a n s f o r m a t i o ns t a r tt e m p e r a t u r eo ff e r r i t ea n dp e a r l i t ea r e r a i s e d15 0o ca n d4 3o c ，r e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n ，t h ep o l y g o n a lt y p ef e r r i t ee m e r g e s ，a n dt h e p e a r l i t es p h e r o i d i z e s ，t h a ti st os a y ，t h em i c r o s t r u c t u r ec o n s i s t s o ff e r r i t ea n dp a r t i a l l y s p h e r o i d i z e dc e m e n t i t e t h ea v e r a g es i z eo ff e r r i t eg r a i ni sa b o u t1 16g ma n dt h eg r a n u l a r c e m e n t i t ed i s t r i b u t e da tt h ef e r r i t eg r a i nb o u n d a r i e si so n l y3 3 8n m t h eg r a p h i t ep a r t i c l e sm o r p h o l o g ye v o l u t i o ni si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tb o t h o ft h ev o l u m ef r a c t i o no fg r a p h i t ea n ds h a p er a t i o ( m a j o ra x i s m i n o ra x i s ) d e c r e a s ew h i l et h e s p a c eb e t w e e nt w og r a p h i t ep a r t i c l e si n c r e a s ea st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ；w h e nt h es t r a i n r a t ei n c r e a s e st h es p a c eb e t w e e nt w oa d j a c e n tg r a p h i t ep a r t i c l e sb e c o m e ss m a l l e rs l i g h t l y ，a n d t h ev o l u m ef r a c t i o no fg r a p h i t ea n ds h a p er a t i oa r ei n v a f i a n t ；t h es p a c ea n dt h ev o l u m e f r a c t i o no fg r a p h i t ed e c r e a s e ss i g n i f i c a n t l yw h i l et h ev o l u m ef r a c t i o no fg r a p h i t ei sc o n s t a n t w i t ht h ei n c r e a s eo ft h es t r a i n t h er e s u l t so fm e c h a n i c a lc a l c u l a t i o ns h o wt h a tt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o no fn o d u l a rc a s t i r o nc a u s e db yg r a p h i t ep a r t i c l e sc a nb ew e a k e n e dw h e nt h ed i r e c t i o no fa p p l i e ds t r e s si s p a r a l l e lt ot h em a j o ra x i so fe l l i p t i cg r a p h i t ec o m p a r e dw i t ht h en o d u l a rg r a p h i t ep a r t i c l e s b e c a u s eo ft h ef r i c t i o nb e t w e e nt h em a t r i xa n dt h eg r a p h i t e ，t h eg r a p h i t eb e c o m e se l o n g a t e d o nt h ed i r e c t i o no fs t r e s su n t i lt h eg r a p h i t eo c c u r sf r a c t u r ew h e nt h es t r a i ni sh i g h e rt h a nt h e m i n i m u ms t r a i n ( m i n ) t h eo p t i m i z e dh o tw o r k i n gt e m p e r a t u r e so fq t 4 5 0 - 10a r ed e t e r m i n e db ys u c c e s s i v e a p p r o x i m a t i o nm e t h o d i nc o m p a r i s o nw i t ht h ei n t e r l a m e l l a rs p a c i n g ( 0 4 6l a m ) o fp e a r l i t ei n n o d u l a rc a s ti r o na f t e rc o m m o nn o r m a l i z i n g ，t h ef i n e rp e a r l i t ew h o s ei n t e r l a m e l l a rs p a c i n gi s 0 319g mi so b m i n e dd u r i n gt h ed i ef o r g i n gp r o c e s s a l t h o u g ht h ee l o n g a t i o no ff o r g e d n o d u l a rc a s ti r o nd e c r e a s e s14 ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n dt h eb e n d i n gs t r e n g t ha r ei n c r e a s e d 6 1 6 a n d6 1 2 ，r e s p e c t i v e l y n o d u l a rc a s ti r o na l s os h o w e dg o o dw o r k a b i l i t ys i n c et h e r o l l e dn o d u l a rc a s ti r o ns t i l lk e p tp l a t ew i t h o u ta n ys h a t t e rw i t ht h er e d u c t i o no f8 9 o nt h e c o m p r e s s i o nd i r e c t i o n b e s i d e s ，t h en o d u l a rc a s ti r o np a l t e ss h o wa n i s o t r o p i cm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s f o re x a m p l e ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n dt h ee l o n g a t i o no fs a m p l e sp a r a l l e lt ot h e i v r o l l i n gd i r e c t i o na r eh i g h e r18 9 a n d13 3 t h a nt h e s ev a l u e so fs a m p l e sp e r p e n d i c u l a r t o t h er o l l i n gd i r e c t i o n ，r e s p e c t i v e l y ，a sc o m p a r e dw i t ht h es a m p l e sp e r p e n d i c u l a rt ot h er o l l i n g d i r e c t i o n a tl a s t 。t h ef o r g e q u e n c h i n gt r e a t m e n tt e s to fn o d u l a rc a s ti r o nw a sd e s i g n e d t h er e s u l t s s h o wt h a ta ne x i s t e n c eo ff i n e ra c i c u l a rm a r t e n s i t i cs t r u c t u r ea n dp r o l a t ee l l i p s o i d sg r a p h i t e p a r t i c l e s t h eh a r d n e s sa n di m p a c tt e s t sr e s u l t ss h o w t h a tt h ef o r g e - q u e n c h e dn o d u l a rc a s ti r o n d i s p l a y ss u p e r i o rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st oc o n v e n t i o n a lq u e n c h e d n o d u l a rc a s ti r o n t h ew e a r r a t e so ff o r g e q u e n c h e dn o d u l a rc a s ti r o na r el o w e r5 3 1 a n d5 1 。1 t h a nc o n v e n t i o n a l a u e n c h e dn o d u l a rc a s ti r o na n dw h i t ec a s ti r o n ，r e s p e c t i v e l y m e a n w h i l e ，t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n t sa r ea l s ol o w e r7 4 a n d9 6 t h a nc o n v e n t i o n a lq u e n c h e dn o d u l a rc a s ti r o na n d w h i t ec a s ti r o n ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：n o d u l a rc a s ti r o n ；p l a s t i cd e f o r m a t i o n ；g r a p h i t e ；d e f o r m a t i o n i n d u c e p h a s et r a n s f o r m a t i o n ；f o r g i n g ；r o l l i n g ；f o r g e q u e n c h i n g v 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢 的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不 包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果：与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文肫丝戮邀丝塑燃幽邃烂囝 作者签名：军熟l 魄必坐月丑日 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学博士学位论文 1绪论 1 1 研究背景及意义 球墨铸铁( 简称球铁) 自上世纪四十年代问世并投入生产以来以其耐磨、减振和生 产成本低廉等优点得到了迅猛的发展。迄今为止，球铁在汽车、机车车辆、机械机床及 配件、铸铁管等生产中获得了广泛的应用】1 ，列。我国球铁在2 0 0 6 年的产量已增长为6 8 0 多万吨，约占当年世界球铁总产量的3 1 6 ，在铸铁件中所占的比重也由1 9 9 7 年的1 4 1 增至2 4 - 2 5 ，仅球铁曲轴年产量就达到约2 0 万吨，1 0 0 0 万根以上。球铁铸件除了产量 大，种类多之外，目前厚大球铁件也在不断研发和生产。新兴铸管股份有限公司用热模 法生产的d n 7 2 6 0 0 8 1 5 0m n 的球铁管重达1 4 7 6 2t ，壁厚仅2 7 9m m ；宁波日月集团 铸造有限公司生产的2 5 0 0 e m 大型注塑机模板采用q t 4 5 0 1 0 ，其轮廓尺寸2 7 0 0 2 8 0 0 1 0 0 0m m ，重达2 5t 。由此可见，球铁依然是本世纪最为重要的工程结构材料之一。 随着现代装备向轻量化、节能、高效的方向发展，人们对球铁的强度和使用性能的 要求也不断提高。因此，铸造和冶金工作者通常采用铸造合金化，抑或通过热处理工艺 来达到提高球铁机械性能的目的。但是，前者因在球铁铸造过程中需添加昂贵的合金元 素( 如t i 、c u 等) ，使球铁件的生产成本大大增加，这极大地削弱了球铁件廉价的市 场优势；后者耗时、耗能的弊端使球铁生产失去了市场开发的竞争力。而且，球铁较合 金钢韧性差，目前球铁强化手段对冲击韧性的提高非常有限。 金属塑性加工理论经上世纪四十年代发展成为一门独立的应用学科以来，涌现出大 量的新设备和新工艺。它是金属材料在外力作用下成形的同时改善和提高其内部组织、 性能，尤其是铸造组织的一种加工方法。通过金属在塑性状态下的体积转移，充分提高 了制件的材料利用率，提高了制件的强度和工件的精度。而在高温塑性变形过程中，将 金属的形变和相变结合在一起的热机处理过程不仅能提高材料的强度，改善金属微观组 织，还可以大大提高生产效率，节省了不必要的能源消耗，典型的塑性加工工艺有连铸 连轧、锻造余热淬火、控制轧制、超塑性成型等】3 - 8 1 。 由于塑性变形不仅可以合理消除球铁中缩孔、缩松等收缩类铸造缺陷，提高球铁强 度和综合使用性能，还可以减少甚至替代现有的一些合金化和热处理工艺，达到减低成 本，增加生产效率，降低能源消耗的目的。因此，将塑性成形工艺应用在球铁材料上势 在必行。通过塑性变形提高球铁的强度和冲击韧性，将最大限度地发挥球铁自身优良的 耐磨性、减震性以及低廉的生产成本等特点，也为球铁齿轮、轴承甚至曲轴类工件的应 用开辟更广阔的空间。 球墨铸铁高温塑性变形行为研究及其应用 但是，目前国内外对球铁可塑性的研究非常匮乏，尤其是系统地分析球铁在高温下 的塑性行为，以及变形对球铁微观组织变化的影响规律尚不多见。这严重影响了塑性加 工工艺在球铁中的应用，也阻碍了球铁产业的进一步扩大发展。为此，本文以工业中最 常用的q t 4 5 0 1 0 为研究对象，系统地考察了高温下球铁的塑性加工行为以及内部组织 的变化，确定了q t 4 5 0 1 0 在锻造和轧制工艺下的最佳变形参数。本文的基础研究将为 今后球铁的塑性加工工艺提供全新而详尽的设计依据。 1 2 球墨铸铁概述 1 2 1球墨铸铁的性能及特点 1 铸铁是一种以f e 、c 、s i 为主要成分且在结晶过程中具有共晶转变的多元铁基合金， 其化学成分一般为：2 0 4 o c 、1 0 3 0 s i 、0 4 1 5 p 、o 0 2 0 2 s 。在f e c 相图中对应的位置如图1 1 所示。球墨铸铁是用球化剂处理铁液后，石墨呈球状的铸铁， 其主要的物理性能见表1 1 。 ：建瞥 7 l ， t 。+ g 芝 箸l l 0o 5 01 0i 。52 ，02 5 3 0 3 5 40 4 55 o - c ) ) 图1 1f e - c 相图 f i g 1 1 f e - cp h a s ed i a g r a m 球铁抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低。虽然球铁的这些机械性能不如钢，但由于 石墨的存在，却赋予球铁许多为钢所不及的性能。如良好的耐磨性( 见表1 2 ) 、高消 振性、低缺口敏感性以及优良的切削加工性能。此外，球铁的碳含量高，其成分接近于 共晶成分，因此铸铁的熔点低，约为1 2 0 0 左右，铁水流动性好，由于石墨结晶时体 积膨胀，所以传送收缩率小，其铸造性能优于钢。 大连理工大学博士学位论文 表i1球墨铸铁的常规物理性能1 ”】 物理性能数 值备注 密度幢c m 3 6 9 - 71 x 1 0 6 k 1 382 0 7 0 0 。c 【1 2 】 热导率m 1k “ 比热容培1k 。 熔化潜热n g 电阻率，c i l i 。 弹性模量，o h 切变模蕈 泊松比 3 00 6 5 0 0 7 0 0 2 0 9 2 3 0 5 9 1 7 23 8 6 7 】8 0 2 8 3 4 0 0o c 13 】 1 2 表12 柴油机曲轴运转群耗付比较 t a b1 2w e a r l o s sc o m p a r i s o no fd i e s e le n g i n e s u s l n g d i f f e r e n t m a t e r i a l s ：4 5s t e e la n dn o d u l a rc a s t i r o n 曲轴材质 运转时间m 主轴颈磨耗量 曲轴簧颤磨耗 热处理状态 m m草椭m 122 球墨铸铁的应用概况及前景”卅” 由于球铁具有上述优异的铸造和使用性能，以及低廉的价格，自工业化生产咀来， 球铁产量连年增涨，2 0 0 5 年与1 9 4 9 年相比，产量提高3 4 98 倍( 图12 ) 。同时，我国 也成为球墨铸铁产量最多的国家( 图13 ) 。球铁也广泛用于汽车曲轴，齿轮箱，离，山 铸管等多个领域，如图1 4 所示。在全世界范围里，球铁在各个领域中的应用为：铸管 及铸件占5 0 ，汽车铸件占2 0 2 5 ，其它部门占1 5 - 3 0 。 吲 年份年 翻12 世界历年球墨铸铁产量 |； 啪 枷 咖 枷 。 球墨铸铁高温塑性变形行为研究及其庀用 f i g 12w o r l do u t p u lo f n o d u l a rc a s t i r o n i n 口弛t y e a r s 圈i32 0 0 5 年世界排名前五位囝家球墨铸铁的产量 f i g 13n o d u l a rc a $ 1 i r o no f f i v e w o r l d - t o pc o u n t r i e s i n2 0 0 5 量铲隧 图l4 球墨铸铁铸件：( a ) 曲轴：( b ) 箱盖；( c ) 齿轮箱体：( d ) 离心铸管 f i g14 n o d u l a re a s t i r o nc a s t i n g s ：( 曲c r a n k s h a r ；( 吣b o xc o v e r ；( c ) g e a r b o x ；( d ) c e n t r i f u g a lc a s t i r o n p i p e 1 球铁在汽车工业中的应用 随着我国汽车工业的发展，球铁在汽车领域的应用也迅速发展。自上世纪9 0 年代 以来，汽车铸件约占全国铸件产量的1 7 ，而球铁铸件占铸件5 0 。汽车的驱动桥壳、 底盘件、转向节、制动钳、连杆等都是保安件，均采用铁素体球铁，许多排气支管也采 用铁索体球铁。 曲轴是珠光体球铁的典型零件。我国2 0 0 7 年生产的8 0 0 多万台车用发动机，汽油 机约占7 6 ，柴油机占2 4 。汽油机多用球铁曲轴，柴油机中3 6 0 千瓦以下，爆发压力 在1 1m p a 以下的均可用球铁曲轴。其牌号为q t 6 0 0 3 、q t 7 0 0 2 、q t $ 0 0 2 、q t 8 0 0 5 、 q t 8 0 0 6 、q t 9 0 0 3 等。我国年产各类曲轴约2 0 万吨，1 0 0 0 万根以上。目前，一汽铸 造有限公司球铁件的生产能力为1 3 万t j 年和球铁曲轴、凸轮轴1 0 0 万根年，东风汽车 公司球铁件生产能力也达】0 万“年。据估计，我国目前汽车球铁件的总产量约为2 3 0 万t 年。 2球铁在铸管和铸件中的应用 大连理工大学博士学位论文 2 0 世界5 0 年代初，一些国家就开始生产球铁铸管。早在1 9 6 9 年日本久保田就制作 出了直径2 6m 、长6m 的球铁铸管，是当时世界上最大的球铁铸管。目前，世界上年 产量超过4 0 万t 球铁铸管的厂家有法国的p o n tam o u s s o n 公司，日本久保田公司、美国 u s p i p ec o 公司及中国的新兴铸管集团公司。球铁铸管在整个管道领域中约占3 0 。 至2 0 0 6 年，我国球铁铸管的产量己达到2 0 7 万t 年，是1 9 9 0 年不足1 0 万t 年的2 0 倍， 其中出口4 3 5 万t ，占2 1 。 离心球铁管( 见图1 4d ) 的耐蚀寿命是钢管的3 0 倍，耐压能力是灰铸铁管的6 7 倍，且其抗振能力较高，安装费用低于钢管、塑料管和灰铸铁管，所以全世界每年离心 球铁管的年产量均达上百万吨，占球铁总产量的4 3 ，是球铁中产量最大的铸件品种。 我国离心球铁管生产厂约2 0 余家，其中以新兴铸管股份有限公司产量最大，生产能力 达到1 1 0 万年，位居世界第二。 3 球铁在其他领域的应用 作为结构件，球铁还广泛用于压力机的横梁、立柱、农机离合器杠杆和壳体，以及 造纸用高压轴承支架，蒸汽轮机入口壳体等不同领域的配件。尤其是风力发电越来越受 到全世界各国的重视，风电设备上的齿轮箱箱体、轮毂、主轴座和底座等球铁铸件( 壁 厚6 0 1 5 01 t l r f l ) 也倍受关注，这类球铁件除要求常规力学性能外，还需进行2 0o c 低温 冲击性能和常温疲劳性能检测，磁粉探伤和超声波探伤等检测。 近年来，为了扩大需求，球铁正逐步向薄壁( 3 6m l n ) 件【2 1 1 和厚断面【2 2 1 方向发展。 哈尔滨理工大学与核工业第二设计研究院研制b q h 2 0 型核燃料球铁容器，重2 0 吨， 为我国开发研制大型球铁铸件开辟了新纪元 2 3 , 2 4 】。 1 2 3 球墨铸铁的铸造特点阳_ 2 5 3 由于碳、硅含量高，球铁具有良好的流动性和自补缩能力，也正因为球铁铸造过程 中有石墨颗粒的形成，所以球铁与钢在铸造工艺和铸造性能上有很大的差异。 1 炉前处理球化处理和孕育处理 炉前处理是指铁水浇注前或浇注过程中以适当方法把球化剂和孕育剂加入铁水的 过程，这是熔制球铁的特有工序。 为使铸铁中的石墨结晶成为球状，在铁液中需要添加镁、稀土合金和钙等球化剂。 目前国内外常用的球化剂加入方法有冲入法、压力加镁法、镁丝法、g f 转包法、钟罩 压入法、型内球化处理法等。球化剂和球化剂加入方式的合理选择将直接影响球化元素 的吸收率，最终影响石墨颗粒的圆整度及分布情况。 球墨铸铁高温塑性变形行为研究及其应用 铁水加入球化剂后，菇晶过冷明显增加，白口倾向大大增强，如果不进行孕育处理， 将成为含有少量石墨球的麻口铸铁。进行孕育处理不仅能消除白口，降低铸件壁厚对组 织的敏感性，而且能增加石墨球数，提高球状石墨的圆整度。 2石墨颗粒在球铁中的冶金形成过程 石墨球是球铁特有的组成相。石墨晶体具有六方晶格结构( 图15 ) 。单元晶格包 含两个六方晶面( 基面) 和六个棱柱面，基面的碳原子以结合力较强的共价键联结形成 结合牢固的原子层。相邻基面的原子层之f b 3 则以结合力较弱的极性键结合。 o t o ) - o 口 图15 石墨晶体的六方晶格结构： 石墨晶格：卜石墨晶体上的晶向 f i g l5h e x a g o n a l l a t t i c eo f g r a p h i t ec r y s t a ：a - g r a p h i t es t r u c t u r e ；h h g 【a lo r i e n t a t i o n 石墨的形成过程符合一般晶体结晶规律，要经过形核和生长两个阶段。铁水内的某 些杂质微粒、硫化物和氧化物都可能成为石墨的形核基质。当铁水的碳活度达到一定程 度，碳原子移向形核基质，并在其上沉积形成石墨微晶。这种微晶达到一定尺寸后成为 有效的石墨结晶核心。石墨结晶核心中存在许多晶体缺陷如螺位错和旋转孪晶，为石墨 生长提供了必要的生长台阶，如图l6 所示。 彰露 y 、一 图1 6 旋转孪晶( a ) 和螺位错( b ) 为石墨晶体提供生长台阶 9 】 f i g1 , 6r o t a t i o n t w i na n ds m wd i s l o c a t i o n i ng r a p h