（材料加工工程专业论文）可控式厚壁铸件凝固行为模拟装置的研制及其在球铁中的应用研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 球墨铸铁以其优良的性能特点，被广泛应用在各个生产领域，近年来，厚 大断面球铁铸件( 壁厚超过2 0 0 r a m ) 的生产不断增长，用于制造大型的耐压、 耐磨、耐热零件。与普通球铁相比，厚大断面球铁经过较长时间的液态冷却 和共晶凝固，从而导致球化衰退、球墨畸变、石墨漂浮、元素偏析、缩松、缩 孔等缺陷，成为困扰生产厂家的难题之一【引。 迄今为止，对于产生异常石墨的机理有许多种解释。k a r s a y 的石墨球破裂 说【3 】，b u h r 的热紊流冲蚀说 4 ，b t r i c h 的球墨内应力说5 1 等理论认为异常石墨是 球墨由于各种原因发生破碎而形成的。而h n o f u j i 等认为异常石墨是在共晶液 体中直接形核长大的【“。其他还有观点认为异常石墨是在石墨球的基础上生核 长大的，是石墨畸变的结果i 7 j 。 为了实现在实验环境下研究厚壁铸件的冷却过程，本文研制开发了物理模 拟大型铸件冷却环境的小型实验装置，通过控制不同的环境温度来达到控制试 样凝固速度的目的。使用铸造模拟软件a d s t e f a n 对不同壁厚的3 d 物理建模 进行模拟运算，获得实验条件下冷却曲线与实际铸件断面尺寸的对应关系。 本文使用模拟装置完成了一系列的物理模拟实验，通过该装置所制备的试 样表现出典型的大断面铸件的组织特征，证明该装置用于厚大断面球铁铸造研 究的可行性。改变试样的凝固时间可模拟壁厚为1 0 0 3 0 0 m m 的大断面铸件的凝 固和冷却条件。 本文研究了球墨铸铁中异常石墨的形成和生长规律。从浇铸到达到共晶平 台所花费的时间与在共晶平台停留的时间存在一定的对应关系，通常是成正比 的。随着共晶时间的延长，铸件的石墨形态逐渐偏离球形，向异常化的趋势发 展，石墨颗粒的圆整度和铸件的力学性能随之降低。在扫描电镜下观察到的异 常石墨呈现互相联结的立体网状结构，具有切割金属基体的倾向。 自从球铁发明以来，人们对稀土元素对球铁组织、性能的影响等方面进行 了广泛的研究。稀土在以镁为主要球化元素的球铁中有脱硫、脱氧、净化铁水、 中和干扰元素、促进球化等有利作用。本文通过模拟装置在实验室条件下研究 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 ed u c t i l ei r o nh a sb e e nu s e dw i d e l yi nv a r i o u sp r o d u c t i o nr e a l mf o ri t s s u p e r i o rp r o p e r t y i nr e c e n ty e a r s ，t h ep r o d u c t i o no fh e a v ys e c t i o nd u c t i l ei r o n c a s t i n g ( t h ec a s t i n gs e c t i o nt h i c k n e s so v e r2 0 0 m m ) g a i n sac o n t i n u o u si n c r e a s et o m a k eo v e r p r e s s u r er e s i s t a n t , w e a rr e s i s t a n t ，h e a tr e s i s t a n tp a r t s c o m p a r et og e n e r a l d u c t i l ei r o n , t h e r e sm a n yd e f e c t si nh e a v ys e c t i o nd u c t i l ei r o ns u c ha sd e g r a d a t e d s p h e r o i d i z a t i o n , g r a p h i t ed e f o r m a t i o n ，g r a p h i t ef l o a t a t i o n ，s e g r e g a t i o n ，s h r i n k a g e p o r o s i t ya n ds h r i n k a g ec a v i t yd u et ot h es l o ws o l i d i f i c a t i o na n dl o n ge u t e c t i ct i m e t h i sh a sb e e nah e a d a c h ef o rt h em a n u f a c t u r e r s s of a rt h e r ea r es om a n yt h e o r i e so ft h em e c h a n i c so ft h ea b n o r m a l 铲a p h j t e t h et h e o r yo fs p h e r o i d a l g r a p h i t e f r a c t u r eb yk a r s a y , t h et h e o r yo ft h e r m a l t u r b u l e n c ee r o s i o nb yb u h ra n dt h et h e o r yo fs p h e r o i d a lg r a p h i t ei n n e rs f f e s sb y b t r i c hh o l d st h ev i e w p o i n tt h a tt h ea b n o r m a lg r a p h i t ei sc a u s e db yf r a c t u r eo f s p h e r o i d a lg r a p h i t e h i t o f u j ic o n s i d e r st h ea b n o r m a lg r a p h i t ei sn u c l e a t ea n dg r o w u pd i r e c t l yf r o mt h ee u t e c t i c o t h e rt h e o r i e st l l i n kt h ea b n o r m a lg r a p h i t ei sn u c l e a t e a n dg r o wu pb a s eo nt h es p h e r o i d a l g r a p h i t ea n di t sar e s u l to ft h eg r a p h i t e d e f o r m a t i o n t os t u d yt h es o l i d i f i c a t i o nb e h a v i o ro ft h ec a s t i n gw i lh e a v ys e c t i o ni na l a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t ，as i m u l a t i n ga p p a r a t u sw a sd e v e l o p e d c o n t r o l l i n gt h e e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e ，t h ef r e e z i n gr a t ea n dt h ee u t e c t i ct i m eo fs a m p l ew i l lb e c h a n g e d 3 dc o m p u t e rm o d e l sw i t hd i f f e r e n ts e c t i o nt h i c k n e s sh a v eb e e nc r e a t e db y u n i g r a p h i c st o s e tas e r i a lo fs e c t i o np a t t e r n s n l ec o r r e s p o n d i n ga c t u a lc a s t i n g s e c t i o nt h i c k n e s st ot h ee x p e f i m e n t ms o l i d i f i c a t i o nc u r v ei sc a l c u l a t e db y a d s t e f a n ，af a m o u sc a s t i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r e i nt h i st h e s i s ，as e r i a lo fp h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sh a sb e e nc a r r i e d ；t h e s a m p l e sp r e p a r e dv i at h i sa p p a r a t u ss h o wat y p i c a ls t r u c t u r ec h a r a c t e ra saa c t u a l h e a ws e c t i o nc a s t i n g t h ev a l i d i t yo ft h ea p p a r a t u st ot h er e s e a r c ho ns o l i d i f i c a t i o n b e h a v i o rw i t hh e a v ys e c t i o nh a sb e e np r o v e d t h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fc a s t i n g s e c t i o nr a n g ef r o mlo o m mt o3 0 0 m mh a sb e e ns i m u l a t e db yc h a n g et h ef r e e z i n g t i m eo f t h es a m p l e 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 厚壁铸件凝固行为模拟装置的研制背景 1 1 1 球墨形成的理论假说概况 现代对球状石墨形成机理的认识有现代相间张力学说、过冷学说、表面张 力学说、螺旋位错和吸附学说、气泡学说等 8 】。 其中过冷学说认为【9 】，在决定石墨最终形态方面，冷却速度是一个重要因 素，大的冷却速度促使球墨的形成而阻碍片墨的形成。这主要是过冷促使形成 数量多而临界半径小的晶核，增加了热力学因素一石墨与铁液间的界面能对石 墨呈球状生长的控制作用；另一个原因是由于过冷度增大，石墨生长速度相应 要快一些，促使石墨周围铁液贫碳严重；同时由于过冷增加石墨生长时易在被 奥氏体外壳包围下生长，这也就大大降低了铁液中碳元素向石墨的扩散速度， 石墨长大速度大大降低，从而使石墨不易变态生长。 1 1 2 影响石墨形态诸因素的认识 影响石墨形态的因素很多，但各种因素对石墨形态的影响最终可归纳为热 力学因素和动力学因素。有文献认为，在石墨初晶阶段，热力学因素对石墨形 态的影响较大“。随着初晶石墨的长大，热力学因素对石墨形态的影响相对减 小，而动力学因素对石墨形态的影响相应增大。下面对影响石墨形态的各种因 素分别从热力学、动力学两方面加以分析。 1 1 2 1 石墨外围奥氏体壳形成迟早及其形态 随着石墨的长大，石墨周围铁液必然贫碳，而铁原子本身的扩散速度远较 碳原子小，如果能较早地在球状初晶石墨周围比较均匀地形成奥氏体外壳，就 能够减弱石墨周围因碳原子供应速度不同而使球墨生长畸变的不利作用。 1 1 2 2 冷却速度 球铁结晶时成核率远大于灰铁。从成核率需求考虑，一般要求球铁凝固时 上海大学硕士学位论文 有较大的过冷度。 这是由于随着过冷度增大，石墨数量大大增加，而石墨初晶尺寸相应变小， 从而增强了热力学因素对石墨形态的控制作用：由于石墨初晶尺寸变小，导致 石墨生长时石墨与铁液间的界面能增加，对石墨长大形态的控制作用增强；同 时随过冷度增大，石墨长大速度也相应增大，石墨周围贫碳也就愈严重，促使 石墨比较早而均匀地形成奥氏体外壳。正是由于过冷度增长会导致上述两方面 结果，从而有益于使球状初晶石墨均衡生长，不易过早变态生长。随着过冷度 增大，形成奥氏体外壳也相应较早，使表面活性元素及球化元素在石墨界面吸 附能力大大下降，阻碍了其对石墨呈球状生长的干扰作用，进一步保证了球状 石墨不易畸变生长。 1 1 2 3 表面活性元素 表面活性元素s 、0 、b i 、s b 等对石墨的影响也是从热力学、动力学两方 面起作用。只有当其以原子态存在铁液中时，其在石墨柱面上的偏析使该面界 面能下降，导致其沿柱面方向快速生长，造成石墨柱面邻近贫碳严重，促使奥 氏体较早在石墨基面形成随后石墨便和奥氏体共生生长，使石墨呈片状特征。 若表面活性元素在铁液中呈气泡态，其不仅失去了吸附于石墨柱面的作用，而 且气泡态反而会促使石墨呈球状析出。 1 1 2 4 球化元素 球化元素m g 、c e 等与表面活性元素s 、o 、b i 、s b 等形成化合物，该化 合物随后作为石墨形成异质核心；同时除去了熔体中自由态表面活性元素s 、 o ( m g 、c e 与s 、o 有很大亲合力) 等及反球化元素b i 、s b ，从而消除了其对石 墨长大形态的不利影响。球化元素促使铁液过冷，其作用类似于过冷速度增加。 低沸点球化元素m g 在铁液中可能呈气泡态，对于球墨形成也是一个重要作用。 另外，m g 、c e 在铁液中具有很强的脱硫作用，也是其促进石墨球化的另一个 重要方面。 1 1 2 5 核心形状 铁液中的石墨核心在各个方向均匀生长时，核心形状对石墨的最终形状将 起到至关重要的影响【1 1 1 。一般来说，球形或接近球形的核心长大后基本还是保 持原来的球状；而形状不规则的核心，长大后大多还是保持原来不规则的形状。 e 海大学硕士学位论文 1 1 2 6 生长方式 我们知道，铸铁中的球墨是由许多锥形的石墨单晶体组成的。石墨的 o o o l l 方向垂直于锥形的底面。当碳原子逐渐在底面的螺位错端沉积的时候，锥形将 会螺旋生长，造成球墨表面的凹凸不平【1 2 】。 当一个球墨从形核泡的表面长到中心时，两个相反旋转的螺位错的合并将 逐步与锥形分枝相结合。会同时形成锥形的碎片结构。按照以上方法，在锥形 分枝中可能存在缝隙。 归纳来说，在石墨形核初期，热力学因素对石墨形态的影响起控制作用， 各种类型石墨初始形态均呈球状；随着石墨的长大，热力学因素对石墨形态的 影响有所减弱，而动力学因素相应有所增强；当动力学因素对石墨生长形态影 响起控制作用时，初晶石墨周围铁液中表面活性元素和c 、f e 等元素的分布及 其扩散速度直接影响球状初晶石墨能否保持球状均衡生长，最后形成球墨；铁 液成分、球化处理、孕育处理、冷却速度等各种因素对球墨形成机理的影响均 是通过石墨形核长大过程中热力学、动力学的综合作用结果而对石墨的最后形 态产生影响。 1 1 3 大断面球墨铸件的典型缺陷 1 1 3 1 石墨漂浮 大断面球铁件，壁厚在5 5 m m 9 5 m m 之间，常出现石墨漂浮缺陷，严重时 导致铸件报废【1 3 】。 石墨漂浮的产生原因传统的看法是铁水的碳当量超过共晶点。当过共晶的 铁液冷却到液相线以下时，开始在液相中析出小石墨球。随着温度的下降石墨 球逐渐长大，在共晶转变时已经有相当大的尺寸了。这时石墨球周围尚无奥氏 体圈产生。由于石墨的比重小，加上镁蒸汽泡上浮时的带动，使部分石墨球上 浮至铸件上表面聚集，随后在共晶转变时迅速长大，结果形成石墨漂浮。 当碳当量相同时冷却速度对石墨漂浮起了决定性的作用。可以认为：过共 晶成分的球墨铸铁易产生石墨漂浮，但共晶或亚共晶的球墨铸铁也有可能产生 石墨漂浮，关键是冷却速度的快慢，石墨漂浮的实质是取决于奥氏体圈形成石 上海大学硕士学位论文 墨球的大小。 孕育衰退会使石墨球变得粗大，易产生石墨漂浮，良好的孕育可以增加石 墨核心数和细化球径，能有效地防止石墨漂浮。 不断上长的镁蒸气加速了石墨的漂浮；夹杂物对石墨的“捕捉聚集作用”， 也促进了石墨漂浮。漂浮区的硫化夹杂物也证明了这一点。 球墨铸件的共晶转变可在高于或稍低于平衡温度的上限时进行，从熔体中 形成细小的共晶石墨球。球状石墨在四周与熔体直接接触的条件下可以单独生 长到一定尺寸。若冷却缓慢，球状石墨变得粗大，就有可能上浮。 1 1 3 2 球化衰退 球化衰退主要是由于球化良好的铁液，在液态下保持的时间过长、因氧化、 回硫等原因，使铁液中球化元素的残留量低于所需的球化元素残留量的临界值 时而产生的球化级别下降的现象。而石墨畸变通常是指厚大断面球铁中，由于 冷却速度缓慢，共晶凝固时间过长而使铁液中发生了石墨的变形。所以球化衰 退是一种变质过程的失效，而石墨畸变是一种断面效应。实验表明，二者是相 互关联的，如果能提高其抗衰退的能力，则必将延长铁液中产生石墨畸变的时 间。衰退的结果是出现一些非球形石墨或称为畸形石墨、变态石墨【1 4 】。在厚大 断面球铁中可能出现的非球形石墨主要有以下几种 1 5 1 6 l ：不规则球状、伪片状、 爆裂状和碎块状。 1 1 3 _ 3 碎块状石墨 碎块状石墨( 称c h u n k y g r a p h i t e ) 1 7 】，指在厚壁球铁件的中心处出现肉眼可 见的灰斑断口，其微观组织为碎块状石墨及铁素体基体。这种组织明显降低球 铁的性能，属厚壁球铁中一种常见内在缺陷【l ”。 碎块状石墨是1 9 6 1 年最早被提出来的。7 0 年代至8 0 年代，对它的生成和 预防，研究者从理论到实践都讨论较多，有些己取得共识，也有些尚需深化。 关于石墨畸变而出现的碎块状石墨的形成原因，说法不一。概括起来不外 两种：一种是球状石墨破碎引起的；另一种是由于热流、某些合金元素等因素 破坏了奥氏体外壳的稳定性，只是奥氏体破碎而改变了石墨的生长方式而形成。 不论哪种说法，碎块状石墨的出现，通常都是在后大断面铸件凝固速度缓慢的 条件下产生的，因此可以认为缓慢冷却是形成碎块状石墨直接和客观的因素。 上海大学硕士学位论文 由于石墨一奥氏体共晶团在形成及长大过程中应力是不可避免的。石墨受 到压应力，奥氏体受到拉应力，奥氏体壳受力状况是石墨是否发生畸变的主要 因素，当所受到来自石墨球的径向膨胀力小于其强度极限时，奥氏体壳不会破 裂而紧紧包裹着石墨球，石墨球外围一旦形成个完整的奥氏体壳，碳原子越 过奥氏体扩散并向石墨球聚集就十分困难，因此石墨球一般不会长大，也不会 发生畸变。但若其膨胀力超过奥氏体的强度极限，奥氏体壳破裂，破裂处形成 液体通道，碳原子迅速沿通道向石墨球扩散并沿通道向外生长，从而使石墨球 发生畸变。由于在一个区域中这样的石墨一奥氏体共晶团很多，但多个共晶团 的奥氏体壳破裂时，各自裸露出的石墨就可能连结为一个整体，成为一个大的 石墨群，这就是碎块状石墨。另一方面，当石墨球所受应力过大时，石墨球会 破碎成许多小块，这些小块石墨表面积大，立即成为剩余液体中石墨的形核基 底，形成沿晶界分布的碎块状石墨。 1 1 4 合金元素对于大断面球墨铸件的影响 1 1 4 1 镁的影响 m g 元素是球铁球化的关键元素，m g 量不足将会造成球化不良，但m g 量 过高不但产生球墨畸变，黑渣等缺陷，而且对综合性能有所影响，所以不能依 靠提高m g 量来保证球化效果。 对一般球铁件，m g 质量分数在0 0 2 5 o 0 4 即可满足要求，但对厚大断 面球铁来说，随凝固时间的延长有一个m g 变化速率问题，根据实验结果，m g 变化速率 o 0 0 4 唰小时。有文献认为厚壁球铁的残余镁量应高于普通壁厚的球 铁，但也有人认为残余镁量无需随壁厚增加而增加f 1 9 1 。为了保证厚大断面球铁 质量，一般m g 的质量分数控制在0 1 0 4 o 0 6 为宣。 1 1 4 2 硅的影响 为了兼顾铸造性能和力学性能，选择中碳低硅低锰的原则，硅的作用具有 双重性，即有积极作用也有消极影响。对大断面高强度球铁铸件来说，以硅偏 低为好，因为硅过高会引起异形石墨，提高脆性转变温度，恶化力学性能。 上海大学硕士学位论文 硅是典型的导致碎块状石墨的元素，这己成为许多实验所证实。由于硅强 烈地促进石墨化，加速碳原子的扩散，提高石墨球的长大速度，因而使石墨球 一奥氏体应力加大，促使奥氏体壳破裂，因此大断面球铁中硅必须控制在不超 过2 0 的范围内。 硅是降低奥氏体壳熔点，促进碎块状石墨形成的元素。硅若超过2 o 就有 可能出现碎块状石墨。在厚壁球铁铸件中一般控制碳当量为4 0 - 2 0 ，硅量 为2 0 - 2 2 。日本生产的乏燃料球铁容器的含硅量控制在1 8 - 一2 1 。文献 认为当添加o 0 0 2 0 0 1 的s b 时，8 英寸立方体硅量即使达2 5 也不会出 现碎块状石墨，而铁素体含量达9 0 0 一9 5 ，心部伸长率可达2 0 以上。 1 1 4 _ 3 锰的影响 锰容易产生偏析，在晶界上其浓度可达晶粒内部的1 0 倍，增加脆性。 因 此在大断面球铁件中更要限制锰量，m n = 0 3 0 5 。国外将m n 量控制在 0 2 以下【2 1 , 2 2 , 2 3 1 。 锰使贝氏体球墨铸铁的韧性明显下降应严格控制其含量( o 5 o 采用强 化孕育、提高硅量、延长等温时间、降低等温温度等措施，可以以0 7 1 o 的 锰代替o 3 0 4 钼获得贝氏体球墨铸铁。且性能与含钼的球铁相比，硬度高于 含钼的铁球。且有显著的经济效益。 1 1 4 4 硫和磷的影响 硫和磷在球铁中属表面活性物质，随着硫和磷的增加，铸铁的表面张力明 显下降。因此，增加石墨漂浮了的可能性。 硫除了消耗稀土球化剂外，还缩小了使石墨球化的稀土存在范围2 4 1 。 对磷来说，当磷 o 0 5 后则易形成二元或三元磷共晶，偏析于晶界产生 缩松，恶化力学性能和铸造性能，故应严格限制磷在o 0 3 - 0 0 5 。国外将p 量控制在0 0 2 以下。资料介绍，国外生产的高强韧球铁( s u p e r d u c t i l e ) ，采用 高炉低s 铁水，原铁水含硫量在0 0 1 以下，球化处理后s 残在o 0 0 5 以下。 1 1 4 5 稀土元素的影响 球铁中，适当的稀土加入可以起到两个方面的作用： 一是脱硫去气，净化 铁水，使镁的球化作用得到充分的发挥，起到球化或间接球化的作用；二是与 6 上海大学硕士学位论文 微量元素形成高熔点的化合物，既中和了微量元素的有害作用，又可以提供一 定的异质核心。但是，在大断面球铁中过量的稀土残余量将导致石墨形态恶化， 导致石墨畸变。文献1 2 5 认为，在r e s 或y - r e sh 保持一定的条件下，m g r 的理想范围总是在o 0 4 0 0 5 之间，而与铁液中的r e 娃、y - r e 。和s 。的 绝对值无关。 1 1 5 厚大断面球铁中的微量元素 除了常规化学成分外，微量元素如b i 、p b 、s b 、t i 、t e 、a s 等在厚大断面 球铁中的作用是不可忽视的。当用纯镁处理球铁时，这些元素常常被当作干扰 元素对待，要求严格限制其含量。采用稀土镁处理时，由于稀土的中和作用， 这些元素的限量被放宽，稀土和这些元素的相互作用甚至可以起到提高球化级 别，增加石墨球数的作用。 1 1 5 1b i 加入c e 后，b i 对球铁起有利作用。在厚大断面球铁中加人少量的b i 可以 防止和减少异形石墨的形成【2 6 】。在有c e 和r e 元素存在时，b i 的反球化作用 被中和，在允许的范围内可以防止石墨崎变，并使石墨球数增加。在厚大断面 球铁中加人少量s b 和b i 可以防止石墨畸变，并增加石墨球数，提高力学性能。 对钇基重稀土处理的球铁效果尤为明显。在高纯度的材质中出现异形石墨，加 入o 0 2 b i 或0 0 2 t e 后异形石墨完全消除【2 7 j 。含b i 的复合孕育剂能明显增 加铁素体，这主要与石墨球数的增加有关【2 8 1 。 1 1 5 2s b 防止产生碎块状石墨的合理的操作是添加少量的s b ( o 0 0 2 ) 与c e ( 0 0 2 ) ， 这样既可以防止石墨球的崩裂破碎，又可使组织细化( 2 9 1 。s b 是一种很强的珠光 体稳定元素，但加入量在上述范围内，完全可获得铁素体组织。 在生产直径q b 6 0 0 1 0 0 0 m m 轧辊时应用0 0 0 5 - - 0 0 0 7 s b 抑制铁液中t i 和过量稀土对球墨的有害作用，完全消除了碎块状石墨3 0 1 。 1 1 5 3s n s n 也是消除碎块状石墨的强有力的元素之一。0 0 5 s n 可以防止1 0 英j j 铸件碎块状石墨的形成，这是因为s n 会强化包围石墨的奥氏体壳，从而防止壳 上海大学硕士学位论文 在再熔化机时石墨球发生畸变。但加s n 同时也产生技晶石墨，并且增加基体的 珠光体含量，加s n 越多，珠光体量越高，因此s n 在铁素体球铁中的应用受到 限制。 1 1 5 4c a 对c a 的作用，褒贬不一。c a 有强烈的孕育作用，还能使石墨球化，日本 使用含c a 球化剂，德国在大断面球铁的生产中使用的球化剂也含有c a 。但 c h u r c h 3 1 】认为即使将c a 加入用量很少的孕育剂中，也会起有害作用( 主要是导 致碎块状石墨) 。 1 1 5 5t i 无论是在小断面球铁中还是在厚大断面球铁中，钛都被认为是有害元素。 国内常见生铁中，钛含量占微量杂质元素总量的7 0 8 0 。在镁球铁中0 0 8 啊使石墨形态显著恶化，导致蠕虫状石墨f 3 9 - 1 。在稀土镁球铁中o 0 1 1 , - 4 9 0 1 4 残余稀土可以显著减轻钛的恶化石墨形态的作用。但随着钛的增加，残余稀土 也相应增加。 1 1 5 6p b ，a s 和c u 在一定的浓度范围内p b 也能抑制碎块状石墨的形成【3 引，但在该浓度范围 内又促进片状石墨的形成。能抑制碎块状石墨形成的元素还有c u ( 2 ) ， a s ( 0 0 7 ) 。但铜会在共晶团边界促进形成片墨，且铜、砷皆为稳定珠光体元素， 不适用于铁素体球铁。这些元素能够稳定和强化奥氏体壳。因此应用它们于生 产球光体球铁是可以的，但当用于铁素体球铁时，必须注意含量范围，既要能 抑制碎块状石墨又不致增加基体珠光体含量。 球铁中加铜，可提高铁液的流动性，改善厚大断面球铁中组织的均匀性， 加铜球铁的力学性能、耐磨性能、耐蚀性能都有较大改善，从而拓宽了球墨铸 铁的应用范围f 3 4 】。 1 1 6 球化剂 上世纪6 0 年代初，为了充分开发和应用我国丰富的稀土资源，包钢、锡柴、 上海内研所和一机部系统的一些生产和科研单位曾各自或协同进行稀土球墨铸 铁试验研究。结果发现稀土的球化作用较弱，稀土球铁的球化率不如镁球铁， 海大学硕十学位论文 但夹渣、缩松明显少于镁球铁。这种结果引起了用稀土和镁进行球化处理的设 想，导致了稀土镁球铁的诞生，解决了当时国内球铁生产由于原材料和技术两 方面原因引起的质量问题，对我国球墨铸铁的发展起了重要作用。”。 稀土在球铁中的含量有一个最佳值当稀土含量过高时，会增加白口倾向， 降低石墨的圆整度。对稀土加入量究竟应该控制在怎样的范围内尚有许多争议， 崛江皓认为，稀土的最佳加入量与原铁水的含硫量有关，随原铁水含硫量增加 而增加；m l a l i c h 指出，稀土的加入量不随硫量的变化而变化，当以含铈5 0 的稀土加入时最佳稀土量为0 0 0 5 , - 0 0 1 0 ；文献所介绍的一些球铁曲轴的生 产中，有的控制稀土量为0 0 1 0 0 2 5 ，有的为0 0 3 - - - 0 0 5 。 稀土在球铁中的作用比较复杂，与其他成分、凝固冷却速度、孕育处理等 因素有关。在铸铁中稀土的作用具有双重性。首先，稀土与有害元素硫、氧的 亲和力比镁强，可减少球化元素镁的损耗，充分发挥镁的球化作用。而所生成 的稀土硫氧化合物熔点高，这些化合物具有较大的比重、弥散分布于铁水内部。 大量的试验研究表明，稀土化合物可作为石墨生长的核心，因此促进了石墨的 形核率，使石墨球数量增加。同时，由于稀土的中和作用，使铁水中硫、氧含 量大大降低，减少了硫、氧等活泼元素在石墨晶体柱面的吸附，从而使柱面与 铁水间的张力提高，使石墨基面的生长速度大于柱面的生长速度，创造了石墨 呈球状生长的条件。 对于厚壁铸件，还需要考虑在缓慢冷却过程中的球化衰退和石墨畸变等情 况。稀土镁球化剂中硅、镁、稀土含量高，从而造成球铁中残余稀土及残余镁 量难以控制，对大断面球铁石墨形态产生不利的影响。同时，由于我国目前低 硅生铁来源紧张，球化剂中含硅量过高，必然造成铁水中终硅量偏高，给球铁 孕育、大断面球铁石墨漂浮控制及稳定生产带来诸多的困难。 英国铸铁研究学会r b a r t o n 发表的研究结果认为保证厚壁件球化良好的方 法有三种：口) 采用高纯生铁做炉料，镁做球化剂( 不宜加稀土) ；b ) 采用不纯 生铁( 含有反球化元素) 做炉料，除加镁之外，还应加入稀土；c ) 原材料纯净 与否情况不明时，除加镁和加稀土外，还应加入微量元素进行“污染”。国内从 上世纪8 0 年代初开始，就有人试验通过加入锑、铋等元素改善大断面稀土镁球 铁件的球化率。 上海大学硕士学位论文 由于厚大断面球铁件凝固时间长，易产生球化衰退或石墨畸变，则要求球 化剂不仅球化能力强而且应具抗衰退或畸变的能力。国外应用较广泛的是 m g + s i 型球化剂，根据我国资源特点，多采用m g + r e + s i 作为球化剂，其中r e 分为重稀土( y 类) 和轻稀土( c e 类) 两种。厚大断面球铁球化剂多采用y - c e m g 复合型球化剂。一般认为重稀土硅铁镁合金具有最好的抗衰退能力，更适用于 大断面球铁的生产口“。这种球化剂进行球化处理时，由于m g 的沸腾搅拌作用， 加强了c e 和y 的脱s 脱o 等净化作用及稀土元素y 的充分扩散，又使铁水 提高了抗衰退和畸变的能力。有文献认为铈基轻稀土镁合金同样适用于厚大断 面球铁铸件【3 7 1 。对钇基重稀土镁和轻稀土镁球化剂抗衰退对比试验表明：在 1 3 0 0 保温条件下，钇基重稀土镁和轻稀土球化剂相比，其抗衰退能力是要强 一些，但在1 1 5 0 保温条件下，钇基重稀土镁球化剂的抗石墨畸变能力并不优 于轻稀土镁球化剂【3 8 j 。 1 1 7 影响石墨球大小的因素 1 1 7 1 碳当量 球墨铸铁的碳当量多为共晶或稍过共晶成分，且在高温下都有石墨的析出。 碳当量越高，初生石墨愈多。因此，过共晶成分的球铁产生石墨漂浮的可能性 大一些【捌。 1 1 7 2 冷却速度 冷却速度直接影响到石墨球的大小、形状及铁球的组织。生产中在不出现 白口的情况下，增加过冷度，以得到细小圆整的石墨球。铸铁石墨生长动力学 研究认为，随着凝固速度的降低，石墨形态按下列顺序演变，球状石墨一球状 石墨+ 蠕状石墨一蠕状石墨一枝晶状石墨一片状石墨。在石墨漂浮区有变态石 墨，是由于冷却速度缓慢，球化衰退引起的。冷却速度快，一方面细化石墨， 使d d o ，产 上海大学硕士学位论文 生石墨漂浮，且会使石墨发生变态。影响冷却速度的因素主要有：浇注温度、 铸件壁厚、涂料层厚度、铸型的预热温度和导热系数等。 1 1 8 大断面铸件冷却模拟装置的设想思路与工作原理 目前研究大断面铸件时通常先在实验室进行小型的试制，成功之后再在相 应企业的协助下实施生产试验。由于实验室的结果和生产现场有较大的距离， 两者的脱节会花费很多的时间和费用。这是国内外制造业界存在的共同问题， 至今没有很好的解决方法。 为了使实验室的研究成果更好地转化成生产上的成果，为实际生产服务； 为了实现在实验室的环境下研制开发高质量的大断面球墨铸铁以及解决生产中 不断出现的问题，同时从理论角度出发在接近实际生产的条件下研究相关的铸 造问题( 铸件的组织，性能和凝固，冷却过程的内在关系等) ，有必要研制小型 的、能够模拟大型铸件凝固环境的实验装置，用于新材料的研制并从根本上找 出铸造缺陷的对策，使实验室的研究更加贴近实际。 大断面铸件冷却模拟装置的实验流程如下文介绍。先预热电炉，将铁水浇 入放置于电阻炉内的坩锅中。通过计算机实现对炉内温度的精确控制，进行人 为温度补偿的办法，可使试样的凝固时间远远大于空冷所用的时问，延长共晶 凝固过程，以对应于不同截面积的大断面铸件。使用大约 p 1 0 0 2 0 0 的铸块，通 过控制不同的环境温度，同时借助凝固过程的计算机数值模拟技术，来模拟大 断面铸件的凝固和冷却条件。 1 2 本文的主要研究内容 本课题主要研究以下内容： 1 2 1 物理模拟大断面实验装置的研制 a ) 模拟实验装置软硬件的研制 b ) 在实际实验过程中对装置加以调校和改进 上海大学硕士学位论文 c ) 实现在实验室条件下对大断面球墨铸件凝固过程的模拟 1 2 2 物理模拟大断面球墨铸铁异常石墨形态的观测 a ) 研究铸件的石墨形态随着共晶时间的延长而变化的规律 b ) 石墨异常化过程中合金元素的变化 c ) 扫描电镜下异常石墨的微观组织分析 1 2 3 铈( c e ) 元素对大断面球墨铸铁石墨形态的影响 a ) 添加c e 元素对石墨颗粒大小的影响 b ) 添加c e 元素对石墨球形度的影响 c ) 在特定壁厚下c e 元素添加量的临界值 上海大学硕士学位论文 第二章物理模拟大断面实验装置的研制 2 1 物理模拟大断面实验装置的系统组成 2 1 1 设备硬件 图2 1 是物理模拟大断面实验装置的结构示意图。在浇铸之前，先用计算 机温控系统将电炉预热到一个特定温度，浇铸完成后，通过温控系统继续补偿 热量以减缓试样的凝固过程，并且从铂铑一铂热电偶采集试样心部的温度变化 值，生成试样凝固过程的热分析曲线。 图2 1 物理模拟实验装置示意图 2 1 1 1 实验电炉 表2 1 列出了实验电炉的相关性能指标。 上海大学硕士学位论文 表2 1 基本技术参数 额定功率5 0 0 0 w 额定电压 2 2 0 v 相数 单相 额定温度 1 0 0 0 温控方式 s s7 0 8 p 人工智能仪表 三点热电偶检测并连接电脑显示 2 1 1 2 热电偶 a ) 一路铂铑一铂热电偶用于测定炉膛内试样温度 b ) 一路镍铬一镍硅( n i ，c r ，s i ) 热电偶用于测定电炉炉膛温度 c ) 一路短接以测定室温 2 1 1 _ 3a i 一7 0 8 p 人工智能工业调节器 a ) 可实现任意斜率的升、降温控制，具有跳转( 循环) 、运行、暂停及停止等 可编程可操作命令，并允许在程序的控制运行中随时修改程序。 b ) 可定义参数、程序值( 时间及给定值) 及程序段号的修改权限。 c ) 二路事件输出功能，外部控制输入开关选件，具备曲线拟合功能的越人工 智能调节算法，能获得光滑平顺的曲线控制效果。 d ) 具有测量值启动功能及准各功能，同时具备五种停电开机事件处理模式选 择。 2 1 1 4 计算机 a ) 通过串行通讯端口与7 0 8 仪表连接 b ) 记录测温数据 c ) 过给定“设定温度”和“最高输出功率”的方式对电炉进行控温。 2 1 2 软件开发 2 1 2 1 电炉温度控制系统 a 1 温控软件操作界面 上海丈学硕士学彼论文 隧2 2 蹙溢鹰采集与控制软件的搽律界蕊，在这一界面中可以读出每一个 湓掖仪表所采集的温度数值，分剐为试样步卜熬温度、实验骥场静室澄、炉膛温 度、试样心郝瀑发。用户可以输入湿度设定馕和电炉簸出姥率以实现灵活的温 度控制。实验进程中，软件将聚集到的濑度德绘成安时曲线输出程蘑幕上，并 将原始数据保存为文件储存在硬盘上。 蚕2 2 滠发罴集弩控到璇 孛揉像界嚣 b ) 软件程序流程图 强2 1 3 装示靛楚较传戆凌鼹摸浃鞠遮抒淡程。 在读取纹表数据滚稷中，软俘的计时器以秒为荦谴被触发，在每个单侥 时间中完成与仪表设备的通信并进行数据的保存与处理，通过p e s g o 拄件根据 采糕瓣鼗撵安辩绘裁图形篷线。 在设定仪表数据流程中，较件从髑户界薅读取翔户鹘设定镶，将篡编码蕨 发送给仪表并从仪表读取操作的结果。 上海大学硕上学位论文 敷仪表 数据 定时触发器 雨鬲丽 l霞遴读取i 厂t 塑型网 3 蕾珲 il 苟祷即u 埋稃醚l教擞 上_ _ 1l驶刚羲掂 ll 广 莲接通讯摸块il _ ，一l 兰坚竺堑lr 葚；：i ；r i 将戳誊 均出判埘幕 将数据 赣j i 5 到克件 p e s g o 烩豳模块 ( 捆线输m ) c 珏格式 敦槲庠文件 连接通讯模块 碍入数拦 罐划操捧臻浆 洼墩舶p 器由鞋 啬成 ；i | 彳 奇申 f 磊 i 垒皇羔簦璺 阿蕊罪瓣 l璇p m 敬瓤 l 吐取避耕德 1 一 厂i 蔬深一 _ 1 运i q 蝤 图2 3 软件模块示意图 c ) 计算机通过r s 一2 3 2 端口与a i 。7 0 8 p 仪表的通信 由于现有的温控仪表所自带的软件每六秒钟记录一个数据值，不能及时反 应浇铸开始阶段温度的快速变化，所以根据仪表自带的串行通讯协议，自己开 发了读取和设定相关数据的程序，以实现高速的数据处理以及温控的自动化。 仪表的相关通讯协议摘要 a i 仪表采用1 6 进制数据格式来表示各种指令代码及数据。a i 仪表软件通 讯有两条指令，一条为读指令，一条为写指令。 地址代号：为了在一个通讯接口上连接多台a i 仪表，需要给每台a i 仪表 编一个互不相同的代号。a i 有效的地址为o 1 0 0 。所以一条通讯线路上最多可 连接10 1 台a i 仪表。仪表的地址代号由参数a d d r 决定。 仪表内部采用整型数据表示参数及测量值等，数据最大范围为： 一2 9 9 9 , - - + 3 2 7 6 7 。因此采用3 2 7 6 8 - 7 1 6 0 之间的数值来表示地址代号，来降低因 数据与地址重复造成冲突的可能性。a i 仪表通讯协议规定，地址代号为两个字 节，其数值范围( 1 6 进制数) 是8 0 h b f h ，两个字节必需相同，数值为( 仪 表地址+ 8 0 h ) 。 参数代号：仪表的参数用1 个8 位二进制数( 一个字节，写为1 6 进制数) 1 6 竺燃辑落一rl 上海大学硕士学位论文 的参数代号来表示。它在指令中表示要读写的参数名。 读写指令分别如下： 读： 地址代号+ 5 2 h ( 8 2 计要读参数的代号+ 0 + 0 + c r c 校验码 写： 地址代号+ 4 3 h ( 6 7 ) + 要写参数的代号+ 写入数低字节十写入数高字节 + c r c 校验码 读指令的c r c 校验码为：要读参数的代号* 2 5 6 + 8 2 + a d d r a d d r 为仪表地址参数值，范围是0 - 1 0 0 。c r c 为以上数做二进制1 6 位整 数加法后得到的余数( 溢出部分不处理) ，余数为2 个字节，其低字节在前，高 字节在后。写指令的c r c 校验码则为：要写的参数代号* 2 5 6 + 6 7 + 要写的参数值 十a d d r 。 要写的参数值用1 6 位二进制整数表示。 无论是读还是写，仪表都返回以下数据：测量值p v + 给定值s v + 输出值 m v 及报警状态+ 所读写参数值+ c r c 校验码。其中p v 、s v 及所读参数值均 为整数格式，各占2 个字节，m v 占一个字节，数值范围0 - 2 2 0 ，报警状态占 一个字节，c r c 校验码占2 个字节，共1 0 个字节。 c r c 校验码为p v + s v + ( 报警状态+ 2 5 6 + m v ) + 参数值+ a d d r ，按整数加法 相加后得到的余数。 每2 个8 位数据代表一个1 6 位整形数，低位字节在前，高位字节在后，各 温度值采用补码表示，热电偶输入时其单位是o 1 ，1 - 5 v 或0 - 5 v 等线性输 入时，单位都是线性最小单位。因为传递的是1 6 位二进制数，所以无法表示小 数点，要求用户在上位机处理。 m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 带有专门管理串行通信的m s c o m m 控件， m s c o m m 控件通过串行端口传输和接受数据，为应用程序提供串行通讯功能。 m s c o m m 控件提供两种通讯功能：查询方式和中断方式1 。 数据通信核心代码 针对以上通讯协议规则，根据模拟装置的要求，需要对温度值的上限和下 限、输出功率值的上限与下限进行读写操作，以下程例实现功率值的读写操作。 读取串行总线上第四个仪表( 我们在实验中使用第四个仪表对电炉工作 上海丈喾颟学斑论文 参数进行设寇) 功率上限的v i s u a lb a s i c 程序代码 4 本镶中读指令瓣c r c 校验筠为： 要读参数的代号2 5 6 + 8 2 + a d d r = 1 9 ( h 1 3 ) x 2 5 6 + 8 2 + 4 = 4 9 5 0 ( h 1 3 5 6 ) 设定窜行总线上第因个仪表功率上限的v i s u a lb a s i c 程序代码 海天学颈圭学靛谂文 + 本例中写指令的c r c 校骏码为： 簧雩豹参数代弩 2 5 6 + 6 7 + 簧写豹参数毽+ a d d r 固( h 0 ) x 2 5 6 + 6 7 + p o w e r + 4 2 2 大断瑟球墨铸铁凝固过程鲍数值模拟 2 2 1 用u n i g r a p h i c s 建模 u ) f i g r a p h i c s 是功髓强大辩产品设诗工其t 它捅煮