球墨鑄鐵件作為重要的工程材料,在的很多的鑄件產量中有較大的比例并且生產技術也達到了一定的水平.但由于鑄造過程中的復雜性使得球墨鑄鐵件的質量仍然存在著很多的問題.為了更好地控制其生產質量,本文根據(jù)生產實際及當前的關于球型石墨、晶體方面的形成、生長理論,結合先進的計算機技術,對金屬凝固過程的觀組織進行了計算機模擬仿真,也稱為凝固過程觀模擬,這個名稱是相對于凝固過程宏觀模擬而言的,具體是指在晶粒尺度上對金屬凝固過程進行模擬仿真.本文根據(jù)熱力學、凝固原理等理論,建立了凝固過程中熱傳遞、溶質傳遞和石墨球、奧氏體的形核、生長進行模擬,以能量小原理為基礎,考慮體積自由能和界面能的定量影響,建立了晶粒生長概率模型.根據(jù)所建立的模型,采用了Microsoft Visual C++ 6.0開發(fā)平臺開發(fā)了相應的三維模擬計算程序和二維動態(tài)顯示程序.針對觀模擬計算量大的特點,本文采用了局部區(qū)域模擬法,并相應地解決了整體區(qū)域和局部區(qū)域之間的數(shù)據(jù)映射、局部區(qū)域的邊界處理、局部區(qū)域模擬結果的放大顯示等問題.該方法通過僅對關鍵的局部區(qū)域模擬而有效地節(jié)省了計算量.針對球墨鑄鐵(成分為:碳含量為3.7﹪、硅含量為3.3﹪、錳含量小于0.4﹪)在砂型中的凝固過程,進行了實驗對比研究.使用編寫的模擬仿真軟件對實驗過程中的觀組織進行了模擬,并把模擬的計算結果與實驗結果進行了對比,二二者基本吻合.

由于球墨鑄鐵的凝固特點—糊狀凝固方式,所以縮松不僅是它的固有缺陷,而且,采用傳統(tǒng)的工藝,很難完全。生產中常采用加冷鐵或冷鐵加水冷等方法,這樣把表層的縮松趕到鑄件內部,機械加工后,縮松就不會暴露出來。但是隨著對鑄件質量要求的提高,客戶不僅對鑄件的外觀有要求,而且對鑄件內在質量的要求也不斷提高。對生產的鑄件要求進行無損探傷,這樣躲在鑄件內部的縮松就會被發(fā)現(xiàn)。因此,從根本上鑄件內部的縮松缺陷是今后企業(yè)所希望達到的目標。本課題深入研究球墨鑄鐵的凝固特點和縮孔、縮松的形成機理,擬采用一種新工藝,從根本上球墨鑄鐵件的縮松缺陷,以提高球墨鑄鐵件的整體質量。
本文是采用多種合金成分配制成多種球墨鑄鐵復合除縮劑,添加到不同的試塊中,利用超聲波無損探傷技術檢測試塊內部縮松缺陷變化;對其斷面的進行宏觀組織觀察;利用金相顯鏡觀察和分析了其觀組織變化,并對試塊的布氏硬度、強度和延伸率進行了測定。 研究結果表明:通過改變除縮劑成分可減少或完全球墨鑄鐵鑄件內部的縮松缺陷:C型除縮劑能夠完全球墨鑄鐵鑄件內部的縮松缺陷,效果好。D型和H型除縮劑可以明顯減少鑄件內部的縮松缺陷,G型和I型除縮劑使球墨鑄鐵鑄件內部的縮松缺陷明顯向上表面集中。曲軸試塊豎置時,隨著加入量的增加,縮松缺陷整體向上表面集中,縮松缺陷面積先逐漸減少后又逐漸增加,不能完全曲軸試塊內部的縮松缺陷;曲軸試塊橫置時,底部左右兩側添加除縮劑并配合頂部加冒口的工藝方案,可完全球墨鑄鐵鑄件內部的縮松缺陷。各種球墨鑄鐵復合除縮劑對石墨的球化程度、鑄件的力學性能及珠光體含量均無明顯影響,但可使鑄件局部晶粒細化。