球墨鑄鐵件作為重要的工程材料,在的很多的鑄件產(chǎn)量中有較大的比例并且生產(chǎn)技術(shù)也達(dá)到了一定的水平.但由于鑄造過程中的復(fù)雜性使得球墨鑄鐵件的質(zhì)量仍然存在著很多的問題.為了更好地控制其生產(chǎn)質(zhì)量,本文根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際及當(dāng)前的關(guān)于球型石墨、晶體方面的形成、生長(zhǎng)理論,結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù),對(duì)金屬凝固過程的觀組織進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬仿真,也稱為凝固過程觀模擬,這個(gè)名稱是相對(duì)于凝固過程宏觀模擬而言的,具體是指在晶粒尺度上對(duì)金屬凝固過程進(jìn)行模擬仿真.本文根據(jù)熱力學(xué)、凝固原理等理論,建立了凝固過程中熱傳遞、溶質(zhì)傳遞和石墨球、奧氏體的形核、生長(zhǎng)進(jìn)行模擬,以能量小原理為基礎(chǔ),考慮體積自由能和界面能的定量影響,建立了晶粒生長(zhǎng)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(tái)開發(fā)了相應(yīng)的三維模擬計(jì)算程序和二維動(dòng)態(tài)顯示程序.針對(duì)觀模擬計(jì)算量大的特點(diǎn),本文采用了局部區(qū)域模擬法,并相應(yīng)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(jié)果的放大顯示等問題.該方法通過僅對(duì)關(guān)鍵的局部區(qū)域模擬而有效地節(jié)省了計(jì)算量.針對(duì)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究.使用編寫的模擬仿真軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的觀組織進(jìn)行了模擬,并把模擬的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,二二者基本吻合.

可對(duì)鑄鐵型材表面進(jìn)行玻璃、搪瓷涂層，銅、鉻、鎢電鍍，滲碳、滲氮處理等，其性能遠(yuǎn)好于砂型鑄鐵件。鑄鐵型材因其獨(dú)有的組織特點(diǎn)及優(yōu)異的力學(xué)性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)床、液壓氣動(dòng)、汽車及動(dòng)力、印刷及紡織機(jī)械、模具、制冷壓縮機(jī)、冶金機(jī)械等行業(yè)。
連鑄球鐵型材還具有良好的熱處理性能。一般在CE=4.8—5.0時(shí)，鑄態(tài)性能可達(dá)到QT500-10牌號(hào)，正火性能可達(dá)到QT800-等溫淬火可達(dá)到QT1200-4水平。在CE=4.3—4.7時(shí)，鑄態(tài)性能可達(dá)到QT550-10牌號(hào)，正火性能可達(dá)到QT800-等溫淬火可達(dá)到QT1200-6水平。特別是在加入銅、鉬以后，其鑄態(tài)性能可達(dá)到QT800-3的水平?？梢姡B鑄型材優(yōu)良的性能和質(zhì)量的穩(wěn)定性完全可以滿足ADI的要求，能過ADI處理更易于得到品質(zhì)優(yōu)良的次鑄件。
目前，公司如美國福特汽車、福特賽車、康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)，德國奔馳、德國載重汽車，瑞典斯凱孚、薩博、沃爾沃汽車等均已經(jīng)成功應(yīng)用了水平連鑄ADI鑄件。在歐洲和美國，水平連鑄ADI已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)部門，成功地替代了多種碳鋼和低合金鋼鑄件、鍛鋼件、表面淬火和氮化處理的鑄鋼件、鋁合金鑄件、銅合金鑄件、普通球鐵鑄件，以及焊接件和組裝件等，品種達(dá)數(shù)千種。國外的連鑄型材生產(chǎn)制造商如美國的Dura—Bar公司和日本虹技株式會(huì)社等早已用球鐵連鑄型材批量制造各種齒輪、齒輪軸、軸套和聯(lián)軸節(jié)等部件。

隨著合金價(jià)格的提高,生產(chǎn)成本不斷增加。為降低生產(chǎn)成本,本課題在HT250材質(zhì)的基礎(chǔ)上,采用氮、鈦、鈮對(duì)鐵液進(jìn)行合金化,通過金相組織觀察、SEM分析、EDS分析、拉伸試驗(yàn)和硬度試驗(yàn),研究了氮、鈦、鈮對(duì)灰鑄鐵組織及性能的影響規(guī)律。 試驗(yàn)結(jié)果表明,含氮量為0.0055%～0.013%、含錳量為1.0%-1.36%時(shí),試樣的金相組織為A型石墨+細(xì)片狀珠光體+少量鐵素體。隨著含氮、錳量的增加：片狀石墨長(zhǎng)度變短、寬度稍有增加,彎曲程度加大,石墨端部鈍化,對(duì)基體的割裂作用減弱；細(xì)片狀珠光體含量略有增加,珠光體層片間距減??；試樣的抗拉強(qiáng)度和硬度逐漸增大,當(dāng)含氮量為0.012%、含錳量為1.24%時(shí),試樣的抗拉強(qiáng)度和硬度達(dá)到大值,分別為395MPa和260HBW。當(dāng)鐵液中含氮量≥0.011%時(shí),鑄件表面下開始出現(xiàn)氣孔缺陷。 在適當(dāng)含氮量(0.0080%左右)基礎(chǔ)上,含鈦量在0.055%-0.149%范圍內(nèi)時(shí),試樣的金相組織為A型和D型石墨+珠光體+少量鐵素體。隨著含鈦量的增加：A型石墨減少,D型石墨增多；鐵素體的含量增多,珠光體的含量減少。
試樣的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),當(dāng)含鈦量為0.149%時(shí),試樣的抗拉強(qiáng)度小,為230MPa；而試樣的布氏硬度略有增加,當(dāng)含鈦量為0.149%時(shí),試樣的布氏硬度大,為219HBW。鈦在含氮灰鑄鐵中的存在形式有以下兩種：少部分固溶于基體中,呈均勻分布；大部分與鐵液中的碳、氮形成鈦的碳氮化物,并多以三角形、四邊形及帶棱角的不規(guī)則塊狀鑲嵌于基體之中,呈彌散分布。