冷却条件对球铁组织和性能的影响

辉精英 · 发表于 2008-7-24 10:05:08

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冷却条件对球铁组织和性能的影响
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摘要: 通过控制模拟试件的冷却条件，研究了冷却速度对球墨铸铁中石墨的形态、基体组织和机械性能的影响。在本试验所采用的工艺条件下，获得模拟试件中完全凝固层厚度δ、凝固速率R和球墨直径d以及抗拉强度σb与凝固时间t有下列关系：δ=1.292 t0.704 cm；R=0.91 t-0.296 cm/min；d=1.957 t0.304 ×10-2 mm；σb=437.22+10.39 t-0.22 t2 MPa。
关键词：球墨铸铁；冷却速度；组织；机械性能
文献标识码： A　　文章编号： 1000-8365(1999)02-0014-03
The Effect of Cooling Condition on The Structure and
Property of Nodular Cast Iron
JI Shou-hua1，ZHOU Wen-long 1，KANG Wei2
(1.Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2.Dalian Crane Group Co., Dalian 116021, China)
Abstract： This paper studied the effect of cooling rate on the morphology of graphite nodular, the matrix structure and the mechanical properties of nodular cast iron abtained by contoolling the cooling condition of the simulating test pipce. The relations of the solidified layer thickness δ, solidification rate R and the graphite nodular diameter d as well as the tensile strength δb to the local solidification time t are abtained experimentally as following:δ=1.292 t0.704 cm,R=0.91 t-0.296 cm/min,d=1.957 t0.304 ×10-2 mm,σb=437.22+10.39 t-0.22 t2 MPa
Key Words: Nodular cast iron;Cooling rate; Structure; Mechanical property
　　关于冷却速度对铸件组织和性能影响的研究包含两大方向：(1)研究宏观组织中等轴晶区和柱状晶区的范围，力求得到相互间转化的过冷判据；(2)研究显微结构，包括枝晶和共晶组织、微间隙和夹杂物以及晶粒度等。G.R.Gardner［1］，A.Admas［2］,M.C.Flemings［3］和Suzik［4］等分别在不同合金、不同凝固方式下得到枝晶间距与冷却速度(凝固时间tf)的关系
d=atnf(a,n为常数)　　(1)
对一定成分的合金，共晶组织的粗细取决于冷却速度。Jackson和Hunt［5］的研究发现，层片间距λ，界面过冷度ΔT与生长速度R之间存在下列关系
ΔT=ARλ+B/λ(A、B为常数)　　(2)
　　为了探讨球墨铸铁组织、性能与冷却条件的关系，本文采用定向凝固的方法，用小试件模拟厚大球铁件的凝固过程，通过电阻丝加热和绝热保温等手段控制冷却速度，研究了冷却条件对厚大球铁件的石墨直径，基体组织和机械性能的影响。
1　试验方法
　　厚大球铁件定向凝固试验装置，如图1所示。铸型和冒口均为高铝耐火粘土制作，尺寸分别为125mm×35 mm×300 mm和 180 mm×180 mm。为实现定向凝固的冷却条件，铸型和冒口均绕有镍铬电阻丝并预热至700～800 ℃浇注，其外侧包覆有硅酸铝纤维棉，冒口顶部覆盖发热材料。试件一端用冷铁激冷。在距激冷界面不同点处放5支 0.5WRe5-20型热电偶测量冷却曲线。在测点处取样进行组织和性能分析。测点和取样位置，如图2所示。

图1　球铁凝固模拟实验装置
Fig.1　The simulating test device for study
on the solidification of the nodular cast iron

图2　测温和取样位置
　Fig.2　The position of temperature measuring
and the test piece sampling

　　原材料和试样的分析成分，列在表1中。熔炼采用50 kg无芯工频感应电炉。铁水出炉温度1 500 ℃，浇注温度1 380 ℃。采用包内球化的方法，球化剂为MgREt6-3-3(Ba)。孕育为包内和随流二次处理的方法，孕育剂为75硅铁。
表1　生铁和试样化学成分
Tab.1　The chemical composition of pig iron and test sample　%
C Si Mn S P Mg残 REt残
4.31 0.66 0.09 0.02 0.05 / /
3.74 2.56 0.19 0.018 0.05 0.036 0.028

　　温度用多点函数记录仪记录，铸型温度由WZK温控仪控制。
2　结果分析与讨论
2.1　球铁试件的冷却特性
　　图3所示模拟球铁试件上各点凝固时的温度变化，结果显示出典型的球墨铸铁冷却曲线特征：浇注后温度迅速下降，达到最低过冷温度时表明大量共晶开始，随后温度回升。当达到共晶平台温度并保持一定时间后逐渐降低，表征凝固过程结束。

图3　模拟试件的冷却曲线
Fig.3　The cooling curve of the simulating test piece

　　由图3的冷却曲线可以确定试件的完全凝固层厚度δ(cm)与凝固时间t（min)有如下关系：
δ=1.292t0.704　　(3)
由此可获得凝固速度R
R=0.91t-0.296　　(4)
2.2　石墨球径与基体组织
　　在未经浸蚀的试样上选择有代表性的视场，测量3条直线所切割石墨球的直径并取平均值，获得不同冷却速度时的石墨球径。图4所示距激冷端不同点处石墨球的形态及分布。可见，靠近激冷端存在大量的细小、圆整和分布均匀的石墨球，测量的平均直径为2.3×10-2 mm。随着冷却速度降低，石墨球数量减少，直径增大。在靠近冒口附近的石墨球已发生畸变，出现少量团片状和厚片状石墨。冒口附近(点1)，其凝固时间为42 min，石墨球径达6.3×10-2 mm，约是激冷端的3倍。

(a) 距激冷端
18 mm (b) 距激冷端
42 mm (c) 距激冷端
78 mm (d) 距激冷端
126 mm (e) 距激冷端
174mm
图4　模拟试件的石墨球形态及分布
Fig.4　The morphology and distribution of the
graphite nodular of the simulating test piece

　　依据测量结果回归处理得到的石墨直径d/×10-2 mm)与凝固时间t/min的关系为
d=1.957t0.304　　(5)
　　图5所示模拟试件不同冷却速度时的基体组织。基体组织主要由铁素体和珠光体组成，激冷端出现少量莱氏体和碳化物。激冷端存在较多的铁素体，随着冷却速率的降低，铁素体量减少，珠光体量增大，而且珠光体变粗。

(a) 距激冷端
18 mm (b) 距激冷端
42 mm (c) 距激冷端
78 mm (d) 距激冷端
26 mm (e) 距激冷端
174 mm
图5　模拟试件的基体组织变化
Fig.5　The matrix structure of the simulating test piece

2.3　抗拉强度
　　图6为模拟试件上不同冷却速度时试样抗拉强度σb的测试结果。依据图6的数据可计算出抗拉强度σb／MPa与凝固时间t／min之间有如下关系：
σb＝437.22+10.39t-0.22t2　　(6)

图6　抗拉强度σb与凝固时间t的关系
Fig.6　The relation of the tensile strength vs the local solidification time
　　众所周知，球墨铸铁的抗拉强度主要取决于石墨球的尺寸、分布以及基体中铁素体、珠光体的相对量。测量结果显示，激冷端虽然石墨球细小、圆整，但抗拉强度较低，原因是基体中铁素体量较多。激冷端熔体强烈地过冷形成大量石墨核心，产生大量细小且弥散分布的石墨球。由于球间距极小，冷却时奥氏体中的碳向石墨球的扩散变得容易。奥氏体中碳含量的降低导致共析转变产物珠光体中碳化物不稳定而分解或石墨化［6］。测试数据表明，激冷端石墨球所占体积百分数为18.45%，靠近冒口根部则仅为16.35%。研究表明，石墨与铁素体晶格的某些晶面间存在原子排列的对应关系，大量石墨的存在有利于铁素体的形成［7］。
　　随凝固时间延长，石墨球长大，球数减少，碳原子扩散距离增加，因此，形成珠光体变得更容易［7］。基体中珠光体的体积份数增加，试样的抗拉强度提高。图6的结果显示凝固时间在20 min时抗拉强度σb的平均值最大。
　　凝固时间进一步延长，石墨球直径增大，并出现团片状和厚片状石墨，对基体的割裂程度增大。同时，冷却速度小，珠光体层片间距增大，珠光体变粗，晶间偏析程度增加，因而导致抗拉强度下降。
3　结论
　　通过控制模拟试件的冷却条件，研究了定向凝固条件下冷却速率对球墨铸铁的石墨球直径、基体组织和抗拉强度等的影响，在本试验所采用的工艺条件下得到以下几点结论：
　　(1) 球墨直径d/×10-2 mm与凝固时间t/min之间的关系为：
d=1.957 t0.304　×10-2 mm
　　(2) 模拟球铁试件的完全凝固层厚度δ/cm和凝固速度R/m.min-1与凝固时间t/min之间存在如下关系：
δ=1.292t0.704　cm
R=0.91t-0.296　cm/min
　　(3) 模拟球铁试件的抗拉强度σb／MPa与凝固时间t/min的关系为：
σb=437.22+10.39t-0.22t2　MPa
　

[ 本帖最后由辉精英于 2008-7-25 13:07 编辑 ]

xyzhlan · 发表于 2008-7-25 06:45:22

冷却条件不同，对铸件的组织确实有很大的影响，值得下载看看

陆小凤 · 发表于 2008-7-25 12:44:07

楼主，如果是WORD格式的，个人认为直接复制发表出来这样比较好些，这样有利于大家共同论谈。

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