試樣壁厚對(duì)振動(dòng)消失模鑄造球墨鑄鐵組織的影響

肖伯濤 樊自田 宗曉明 龍 威 劉鑫旺

華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430074

0 引言

球墨鑄鐵因其力學(xué)性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)而被用作結(jié)構(gòu)材料，主要用于制造內(nèi)燃機(jī)、汽車零部件及農(nóng)機(jī)具等。消失模鑄造技術(shù)是一種近無(wú)余量、精確成形的新技術(shù)，適合生產(chǎn)復(fù)雜零件，被稱為是“代表21世紀(jì)的鑄造新技術(shù)”和“鑄造中的綠色工程”［1－3］。但是，由于消失模鑄造的澆注溫度比普通鑄造技術(shù)高30～50℃，并且采用干砂造型，傳熱速度慢，使得鑄件的組織粗大，力學(xué)性能較差。因此，細(xì)化消失模鑄造球墨鑄鐵件的組織，提高其力學(xué)性能是發(fā)展球墨鑄鐵消失模鑄造技術(shù)的關(guān)鍵。細(xì)化晶粒的方法通常包括增大過冷度、施加振動(dòng)、孕育處理［4－8］等。在消失模鑄造過程中施加振動(dòng)是一種既不需要較大增加生產(chǎn)成本，又能細(xì)化晶體組織、提高其性能的有效措施。將振動(dòng)應(yīng)用于鋁合金、鎂合金消失模鑄造的研究［9－11］表明，振動(dòng)可以細(xì)化鑄造合金的組織，提高其性能。然而，關(guān)于振動(dòng)對(duì)消失模鑄造球墨鑄鐵組織及性能影響的研究未見報(bào)道，振動(dòng)對(duì)其作用效果尚未可知，因此，本文根據(jù)消失模鑄造的鑄件具有尺寸不等的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了6個(gè)壁厚的階梯試樣，以鑄造生鐵、廢鋼及硅鐵為爐料，稀土鎂合金為球化劑，75SiFe為孕育劑，采用振動(dòng)消失模鑄造的方法制備球墨鑄鐵，借助金相顯微組織觀察及圖像分析軟件，研究試樣壁厚對(duì)振動(dòng)消失模鑄造球墨鑄鐵石墨形態(tài)及基體組織的影響，為振動(dòng)凝固技術(shù)在消失模鑄造球墨鑄鐵件生產(chǎn)中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

首先用密度為20mg/cm3的可發(fā)性聚苯乙烯（EPS）制作階梯形模樣，模樣的寬度為50mm，各臺(tái)階壁厚分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm和60mm，每個(gè)臺(tái)階的長(zhǎng)度為40mm，然后將制好的模樣涂掛水基耐火涂料，最后將其埋入干砂進(jìn)行造型，模樣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試樣幾何尺寸圖

熔煉在容許質(zhì)量為15kg的中頻感應(yīng)爐中進(jìn)行，采用鑄造生鐵、廢鋼以及硅鐵為爐料，加入量為6.5kg。球化劑為FeSiMg8Re3合金，75SiFe為孕育劑，球化劑和孕育劑加入量占爐料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1.4%和0.4%。澆注前，將球化劑和孕育劑置入澆包底部，采用包內(nèi)沖入法進(jìn)行球化及孕育處理，澆注溫度為1460℃。澆注過程借助型號(hào)為BF－LD－TF振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行球墨鑄鐵的振動(dòng)消失模鑄造，裝置示意圖如圖2所示。填入干燥石英砂緊實(shí)、覆蓋塑料薄膜、開真空閥抽真空（真空壓力為0.03MPa），在振動(dòng)作用下進(jìn)行澆注成形（振動(dòng)頻率為35Hz，振幅為0.5mm）。澆注后獲得的球墨鑄鐵的具體化學(xué)成分如表1所示，其中，w（RE）和w（Mg）分別為球墨鑄鐵殘留稀土量和殘留鎂含量。

圖2 振動(dòng)臺(tái)示意圖

表1 球墨鑄鐵的化學(xué)成分

澆注后，采用線切割的方法從階梯形試樣不同壁厚的中心部位切取長(zhǎng)方體金相試樣，與振動(dòng)方向平行的側(cè)面經(jīng)研磨拋光后，在光學(xué)顯微鏡上觀察石墨形態(tài)，然后采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，在光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行組織觀察；從每個(gè)壁厚試樣的石墨形態(tài)照片中隨機(jī)抽取10幅，利用JX－2000圖像分析軟件對(duì)鑄鐵中石墨球數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，取其平均值；通過比較分析的方法研究試樣壁厚對(duì)振動(dòng)消失模鑄造球墨鑄鐵組織的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試樣壁厚對(duì)鑄鐵石墨形態(tài)的影響

圖3所示為振動(dòng)消失模鑄造球墨鑄鐵的石墨形態(tài)圖，其中，圖3a～圖3f分別是壁厚為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm 和60mm 處的石墨形態(tài)。由圖3可以看出，在不同壁厚的試樣中存在較多的畸形石墨，較圓整的石墨球數(shù)量較少。

圖3 球墨鑄鐵石墨形態(tài)圖

圖4所示為圖3中石墨球個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。由圖4可以看出，隨著試樣壁厚的增大，每平方毫米內(nèi)石墨球的個(gè)數(shù)Q先由10mm厚試樣中的190個(gè)降低到30mm厚試樣中的152個(gè)，然后又逐漸增大到60mm厚試樣中的257個(gè)。在壁厚為60mm的試樣中，單位面積內(nèi)石墨球的個(gè)數(shù)最多，30mm厚的試樣中最少，并且60mm厚的試樣中單位面積內(nèi)石墨球的個(gè)數(shù)相對(duì)于30mm厚試樣增多了69.5%。

圖4 球墨鑄鐵石墨球統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

在合適尺寸的試樣中，振動(dòng)可顯著增加石墨球的數(shù)量（圖2）。振動(dòng)可以促進(jìn)球墨鑄鐵中的空位等缺陷快速消失，引起空穴效應(yīng)，空穴效應(yīng)的存在會(huì)在熔體中引起空穴形核［12］。當(dāng)空穴崩潰時(shí)，臨近空穴的熔體進(jìn)入空穴的同時(shí)，會(huì)引起局部壓力的增大。根據(jù)克拉－柏龍公式可以推測(cè)［13］：

式中，Tf為平衡凝固溫度，隨凝固壓力的增大而增大；Vl、Vs為液體、固態(tài)的比體積；ΔHf為熔化潛熱常數(shù)；ΔTf為Tf條件下的凝固過冷度。

用適當(dāng)參數(shù)取代熱力學(xué)公式中的體積，壓力對(duì)凝固點(diǎn)的影響可近似地表示為

式中，p0、R為常數(shù)。

根據(jù)式（1）、式（2）可知，隨著更高的外部壓力施加于熔體，相圖會(huì)發(fā)生改變，熔體過冷度比低壓時(shí)的高。因此，在振動(dòng)凝固試樣中空穴的被破壞程度比未振動(dòng)凝固試樣大，在振動(dòng)試樣的熔體中引入的壓力較未振動(dòng)凝固試樣的高。振動(dòng)促進(jìn)空穴的逃逸使得熔體過冷度以及在臨近空穴位置的形核能力提高。

此外，振動(dòng)促進(jìn)了碳原子的運(yùn)動(dòng)，降低了碳原子在石墨晶核上的堆積，由于這些原因，石墨球的長(zhǎng)大速度受到了抑制。因此，盡管在振動(dòng)凝固試樣中石墨球數(shù)量被增加了，但是石墨球的尺寸卻較小。

隨著試樣壁厚的增大，石墨球的個(gè)數(shù)先減少后增多，這是因?yàn)殡S著壁厚的增大，鑄件的體積增大，試樣的凝固時(shí)間被延長(zhǎng)，使得鑄件內(nèi)部的蓄熱量增大，冷卻速度減緩，致使石墨核心失效嚴(yán)重，從而降低了球化效果［10］。當(dāng)試樣壁厚小于等于30mm時(shí)，隨著試樣壁厚的增大，石墨球化失效嚴(yán)重，并且沒有新的石墨核心來(lái)補(bǔ)充，導(dǎo)致石墨球的個(gè)數(shù)減少。當(dāng)試樣壁厚大于30mm時(shí)，石墨球的個(gè)數(shù)反而增加。一方面，鑄件內(nèi)部的蓄熱會(huì)引起球化失效，減少試樣中的石墨球個(gè)數(shù)；另一方面，試樣壁厚的增大降低了金屬的凝固速度，延長(zhǎng)了金屬結(jié)晶的時(shí)間。金屬液的溫度由澆注溫度降低到共晶轉(zhuǎn)變溫度所需要的時(shí)間被延長(zhǎng)，增加了振動(dòng)對(duì)液態(tài)金屬和固液混合區(qū)的金屬的作用時(shí)間，抑制了液態(tài)金屬中的碳原子在石墨晶核表面的堆積，增加了液態(tài)金屬中石墨的數(shù)量，從而增加了石墨球的個(gè)數(shù)。因此，隨著試樣壁厚的增大，石墨球的個(gè)數(shù)增多。

2.2 試樣壁厚對(duì)球墨鑄鐵基體組織的影響

圖5 球墨鑄鐵基體組織圖

圖5所示為振動(dòng)消失模鑄造球墨鑄鐵的基體組織圖。由圖5可以看出，振動(dòng)消失模鑄造球墨鑄鐵的基體組織中分布著大量的“牛眼狀”組織。文獻(xiàn)［12，14－15］的學(xué)者研究認(rèn)為，“牛眼狀”組織的內(nèi)部為石墨，奧氏體外殼包圍在石墨周圍，且奧氏體外殼是由若干個(gè)奧氏體組成。根據(jù)文獻(xiàn)［15］的觀點(diǎn)，在一定溫度下，初生球狀石墨從鐵水中析出，并獨(dú)立生長(zhǎng)，在其周圍會(huì)形成一定范圍的碳的逸減區(qū)。球狀石墨長(zhǎng)大到一定尺寸時(shí)，逸減區(qū)中緊靠石墨的環(huán)狀區(qū)域極度貧碳，結(jié)晶成奧氏體外殼，結(jié)晶的奧氏體外殼因不斷地向外生長(zhǎng)使奧氏體殼厚度增加。外加振動(dòng)加速了試樣各部分的傳熱與對(duì)流，使鑄件內(nèi)部溫度場(chǎng)趨于平緩，抑制了金屬形核，減緩了共晶轉(zhuǎn)變前部分奧氏體暈圈的形成速度。此外，“牛眼狀”組織的數(shù)量及尺寸的變化反映了共晶晶粒的變化，即“牛眼狀”組織越多，由石墨球引發(fā)的共晶晶粒數(shù)量勢(shì)必也隨之增多。當(dāng)壁厚較小時(shí)，試樣冷卻速度較快，凝固時(shí)間比壁厚較大試樣要短，因而試樣在振動(dòng)力未對(duì)基體組織產(chǎn)生明顯影響之前就已凝固完畢，振動(dòng)在金屬熔液內(nèi)部引起“黏性剪切”，晶粒游離、增殖的程度遠(yuǎn)不及試樣壁厚較大處，因而熔液中有效的異質(zhì)形核核心數(shù)量較少，導(dǎo)致在這種條件下所形成的共晶晶粒數(shù)量減少。對(duì)于壁厚較大的試樣，尤其是壁厚為60mm的試樣，在其完全凝固之前，振動(dòng)力對(duì)其作用比較充分，“黏性剪切”現(xiàn)象會(huì)遍及試樣中的大多數(shù)共晶晶粒，所形成的游離細(xì)小晶粒顯著增多，在熔液中存在大量的異質(zhì)形核襯底，最終使得共晶晶粒的尺寸變小。

3 結(jié)論

（1）隨著試樣壁厚的增大，振動(dòng)消失模鑄造球墨鑄鐵中每平方毫米內(nèi)的石墨球個(gè)數(shù)先減少后增多，60mm的試樣中石墨球個(gè)數(shù)最多，為257個(gè)；30mm的試樣中最少，為152個(gè)。同壁厚為30mm的試樣相比，60mm的試樣中每平方毫米內(nèi)的石墨球個(gè)數(shù)增加了69.5%。

（2）隨著試樣壁厚的增大，振動(dòng)消失模鑄造球墨鑄鐵的基體組織先變得粗大，后變得細(xì)小。這是因?yàn)樵嚇颖诤竦脑龃?，降低了試樣的冷卻速度，延長(zhǎng)了振動(dòng)對(duì)凝固組織的作用時(shí)間，增強(qiáng)了振動(dòng)力對(duì)結(jié)晶組織的“黏性剪切”作用，使鑄鐵組織得以細(xì)化。

（3）借助振動(dòng)凝固技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)消失模鑄造球墨鑄鐵的石墨形態(tài)及基體組織的控制，應(yīng)用該技術(shù)可生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的球墨鑄鐵件。

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