含砷稀土镁球墨铸铁的石墨形态

范文一：含砷稀土镁球墨铸铁的石墨形态

含砷稀土镁球墨铸铁的石墨形态 1 2 杨恩成, 罗暑生, 时惠英 1 ()1. 西安理工大学材料科学与工程学院, 陕西西安 710048; 2. 西安石油学院

摘要: 研究了含砷生铁在电炉熔炼条件下, 加入稀土镁硅铁合金的铸铁中石墨形态特点及

砷的分布规律。结果表明, 砷既有干扰石墨球形成, 诱发水草形、松枝形石墨析出的作用,

也有使石墨球更加圆整的作用; 石墨形态的变化还与试样尺寸有关。

关键词: 砷; 球墨铸铁; 石墨形态

中图分类号:文献标识码: A T G21

Gra ph ite M orpho logy in D uc t ile Iron Con ta in in g A r sen ic

2, 2, 2YA N G E n ch en gL U O Sh u sh en gSH I H u iy in g

(’’, 710048, ) X ian U n ive r sity o f T ech no lo gyX ian C h ina

: A bstra c tT h is p ap e r stu d ie s th e fea tu re s o f g rap h ite m o rp ho lo gy an d d ist r ib u t io n law s o f

222A r sen ic t rea ted w ith ra reea r th b ea r in g M g SeF e a llo y u n de r th e co n d it io n s o f m e lt in g p ig

. iro n co n ta in in g A r sen ic in in du c t io n fu rn an ceT h e re su lt s show th a t A r sen ic no t o n ly d is2

t ru b s th e g rap h ite fo rm a t io n an d in du ce s th e fu n c t io n o f w a te rw ead an d p in e b ran ch sh ap ed

, . g rap h iteb u t a lso p rom o te s th e ro u n dn e ss o f g rap h ite no du le sA lso th e va r ia t io n in

.g rap h ite m o rp ho lo g ie s a re re la ted to th e size s o f sam p le s

Key word s: A r sen ic; du c t ile iro n; g rap h ite m o rp ho lo gy

反球化元素在球墨铸铁中的作用, 历来为国内外铸造工作者所关注。在 60 年代, 国外就有学者

1 指出, 微量的铋、锑、铅、铝对石墨球化有不良影响。国内的研究也肯定了碲、铋、锑、铅、钛对石墨球化的不良影响。但是砷对石墨形态的影响则未见研究报道。含砷生铁能否生产球墨铸铁, 其关键是要弄清砷对石墨球化的影响。本文就是在含砷生铁中加入稀土镁硅铁合金后, 对其石墨形态进

行研究。

1 试验条件

111 试样化学成分

试样成分 (% ) 为 313 , 2. 6 , 016 , C S iM n 0. 06 P , 0. 01 S, 017 C u。使用含砷生铁时, 处理后的铁水含砷 0112% 。球化剂为 F eS iM g8R E 7, 加入量 1. 2%, 2. 0% , 孕育剂为 75S i2F e, 一次孕育量

0. 4%, 1. 0% , 二次孕育量 0115% 。

1. 2 工艺条件

铁水在 500 中频电炉中熔化。试样为 80 球及 15 圆棒,两试样连为一体, 与产品 k g 5 mm 5 mm

件同在湿型内浇注, 以保证浇注温度相同。

1. 3 试样观察与测定

试样金相组织在N eop ho t21 卧式显微镜上观察。深腐蚀试样在 1000B 型扫描电镜上进行观察与

责任编辑韩星明王卫勋收稿日期: 1998203227

() 作者简介: 杨恩成 19372, 男, 西安理工大学副教授。

杨恩成等: 含砷稀土镁球墨铸铁的石墨形态 47

能谱分析。试样中砷的分布曲线用 Sxm ac ro 电子探针测定。

试验结果与分析2

2. 1 石墨形态

图 1 为含砷 15 试样金相照片, 石墨主要呈晶间分布的片状异态水草形, 只有少量球状, 5 mm

大部分为带足型。水草形石墨呈网状分布于球墨共晶团间, 光学显微镜下酷似 D 型石墨。深腐蚀后的电镜照片却是图 2 所示的石墨形态, 片状石墨分枝频繁, 端

() 部尖锐, 局部的石墨 0001面上出现球状突起物, 状似蠕墨。

从图 3 电镜照片显示中可推断, 水草形石墨是从石墨球

- () 中石墨的棱面 10 10长出的, 片状生长的平行纹理清晰可见,

长出一段以后出现分枝, 石墨片上也长出球状突起物。

图 4 是 80 球的石墨形态,石墨球圆整规则, 异态球 5 mm

很少, 晶间石墨是松枝形, 数量也较少, 石墨球上长出的变异

石墨也呈松枝形。图 5 是放大后的晶间松枝形石墨及圆整规

则的石墨球。图 6 是长出松枝形石墨的石墨球。而无砷试样的

() 石墨形态图略, 虽然全部为球状石墨, 但规则球形不多, 主

要是常态不规则团形石墨。

2. 2 球墨铸铁中的砷

砷在球墨铸铁中的分布及存在形态无疑对石墨形态有重

()要影响。图 7 至图 9 是电子探针对砷的扫描曲线,图 1 含砷 5 15 试样石墨形态 ×100 Sxm ac ro

在石墨内, 特别是球形石墨内砷含量低, 在晶间水草形石墨区域内砷含量高, 球墨的边缘处砷曲线有峰值, 石墨球变为片状生长处, 以及石墨球中心的白点在砷曲线上都有峰值。水草形石墨分布区正是晶间区域, 是金属凝固迟缓的区域, 此处为高砷分布, 表明砷在球墨铸铁中是正偏析元素, 其 4 平衡常数 k = 0. 25; 在石墨球的边缘有高砷分布, 也表明球墨铸铁在凝固过程中界面前沿有砷的

富集。

()()图 2 深腐蚀后电镜下的水草形石墨 ×850 图 3 深腐蚀后电镜下的带足型石墨 ×2000

砷的存在可以是单质也可以是化合物, 氧、硫、砷等元素都会在石墨可以生成 A s4O 6 , A s2 S5 ,

2 表面形成化合物, 砷与镁及其它球化元素能形成稳定化合物, 与铈形成 C eA s, 与镁生成M g3A s。图 10 是对石墨球中白点所做能谱分析结果, 显示出白点内含有 S i、S、C a、L a、C e、N a、A s, 其中、、的峰值最高; 有的白点内有存在。观察中发现, 许多石墨球内部有白点, 一些变态片 SC eA s M g

状石墨内也有白点, 这种白点有可能起到石墨生长核心的作用。砷与球化元素M g、C e 的作用削弱了球化效果, 易出现球化不良现象; 而与反球化元素 S 的作用则减小了对球化的有害作用。图 11 是对水草形石墨边缘所做的能谱分析结果, 曲线上仅有、、、的峰值。尽管有两种存在 S iC uF eA s A s

() 48 西安理工大学学报 1999第 15 卷第 3 期

形态, 但在本研究中的存在形态尚需进一步研究。

图 6 从球墨上长出的松图 4 5 80 球石墨形态图 5 晶间松枝形石墨 ()()()×100 ×800 枝形石墨 ×800

((()))图 7 过带足型石墨 ×500 图 8 过墨球中白点 ×1000 图 9 过水草型石墨区 ×500

图 11 晶间水草形石墨区能谱分析图 10 墨球中白点能谱分析

2. 3 砷对石墨形态的影响

非平衡凝固条件下, k < 1="" 的合金,="" 凝固界面前沿出现溶质富集,="" 凝固速度越大,="" 富集也越严重。="">

本研究也是非平衡凝固, 凝固界面前沿也必然有砷的富集, 正如电子探针与能谱分析表明的那样,

杨恩成等: 含砷稀土镁球墨铸铁的石墨形态 49

中砷值要很小。凝固全过程中, 砷在界面前沿的浓度是变化的, 其范围是从 kC 0 到 C 0 ?k , 计算表明本研究的变化值是 0. 03%, 0. 48% 。砷的反球化作用允许值是 0. 05%, 0. 09% , 它与铁水中氧、硫

含量、球化剂加入量以及铸件凝固速度有关。可见, 虽然本研究中砷含量为 0. 12% , 但凝固的前沿不会迅速达到或超过允许浓度, 而要有一个过程。

15 试样凝固速度快, 界面前沿铁水内砷不能充分扩散, 富集严重, 砷的浓度很快达到 5 mm

C 0 ?k , 超过允许值。此后的界面都在这一高浓度中推进, 砷与镁、稀土若形成化合物, 消耗了球化

很元素, 也改变了石墨的生长方式, 变球状生长为片状生长, 表现出砷的强烈反球化作用, 石墨形态少出现球状。对于 80 球, 凝固速度相对缓慢, 凝固界面前沿铁水中砷有机会扩散, 浓度不 5 mm 会很快达到允许值, 金属固相及石墨球在低于允许浓度条件下生长, 砷则不表现反球化作用, 因砷削弱氧、硫的反球化作用, 使墨球更加圆整。只有晶间少量的铁水中砷富集浓度超过允许值, 致使石墨变异。

砷浓度低于允许值的铁水中, 除砷因与硫、氧作用而增加球墨核心外, 也消除了硫、氧反球化作用, 因而球墨更加圆整。当砷超过允许值时, 也表现出反球化作用, 正如过量的稀土元素也使球墨

3 变异那样, 由于分布不均匀, 局部浓度可能更高, 使球带足, 如图 7 所示。

4 对于大断面球铁, 凝固缓慢, 硫、氧富集于最后凝固的部位, 致使铸件的中心石墨畸变, 加入适量的砷可以消除这种异形石墨。正是因为凝固时氧、硫、砷同时向铸件中心富集, 由于砷的作用消除了氧、硫的反球化作用, 砷也不会达到有害的浓度, 甚至球墨比无砷时更圆整。经以上分析表

明, 砷对球化的影响是复杂的, 当含量超过允许值时表现出反球化的作用, 含量低于允许值时不表现反球化, 甚至石墨球更圆整。还与凝固速度有关, 试样截面大小不同, 砷对球墨形态影响也会不同。

结论3

( ) 砷对球墨铸铁中石墨生长的干扰作用, 与凝固速度有关。凝固速度大时 5 15 mm 试样, 畸变石墨为水草形, 球墨为变异不规则形; 凝固速度小时 ( 80 球) , 畸变石墨为晶间松枝形, 球墨主 5 mm

要是圆整规则形。

砷在稀土镁球墨铸铁中的分布是不均匀的, 石墨内最少, 晶间最多; 砷有可能与其它元素富集一起形成石墨晶核。

参考文献:

1 美国铸造师学会 1 球墨铸铁金相图谱 []1 高钦, 郑本伟译 1 大连: 大连理工大学出版社, 1988152, 63. M

2 布刘克斯, 伊明科夫, 弗莫拉德 1 铸铁冶金学 [M ]1 上海工业大学, 华中工学院, 浙江大学合译 1 北京: 机械工业

出版社, 19831123.

() 3 谢义达, 韦世鹤, 黄志光等 1 稀土球墨铸铁中石墨形态及其形成机理 [M . 球铁, 1980 4: 21, 24. 4 沈阳铸造研究所, 大连工学院, 上海科学技术研究协会 1 球墨铸铁 []1 北京: 机械工业出版社, 1982. 46, 74. M

范文二：含砷稀土镁球墨铸铁的石墨形态

含砷稀土镁球墨铸铁的石墨形态

46西安理工太学JournalotXi'anUniversilyofTechnology(1999)Vo1.15No.3 文章编号Il006—4710

含砷稀土镁球墨铸铁的石墨形态/

(1999)…46-

牟6,

…工西.…

摘要:研究了舍砷生铁在电妒熔炼条件下,加入稀土镁硅铁合垒的铸铁中石墨形态

特点及

砷的分布规律.蛄果表明,砷既有干扰石墨球形成,请发水草形,松枝形石墨析出的

作用,

也有使石墨球更加固整的作用;石墨形态的变化还与试样尺寸有关

关键词:盟垡墨壁垫;墨查

中图分类号:TG21文献标识码:A

GraphiteMorphologyinDuctileIronContainingArsenic YANGEn—cheng,IUOShu—sheng,SHIHui—ying

(XianUniversityofTechnology.Xi'an710048?China)

Abstract:Thispaperstudiesthefeaturesofgraphitemorphologyanddistributionlawsof

Arsenictreatedwithrare-rearthbearingMg-rSe——

Fealloyundertheconditionsofmeltingpig

ironcomainingArsenicininductionfurnance.TheresultsshowthatArsenicnotonlydistrubs

thegraphiteformationandinducesthefunctionofwaterweadandpinebranchshaped graphite,butalsopromotestheroundnessofgraphitenodules.Alsothevariationingraphite

morphologiesarerelatedtothesizesofsamples.

Keywords:Arsenic}ductileiron{graphitemorphology

反球化元素在球墨铸铁中的作用,历来为国内外铸造工作者所关注.在60年代,国

外就有学者

指出,微量的铋,锑,铅,铝对石墨球化有不良影响.国内的研究也肯定了碲,铋,锑,铅,钛对石

墨球化的不良影响.但是砷对石墨形态的影响则未见研究报道.含砷生铁能否生产球墨铸铁,其关

键是耍弄清砷对石墨球化的影响本文就是在含砷生铁中加入稀土镁硅铁合金后,对其石墨形态进

行研究.

1试验条件

1.1试样化l学成分

试样成分()为3.3C,2.6Si,0.6Mn,0.06P,0.01S,0.7Cu.使用含砷生铁时,处理后的铁水含砷0.12.球化剂为FeSiMg8RE7,加入量1.2,20,孕育剂为75Si—Fe,一次孕育量0

4,1.0,二次孕育量0.15.

1.2工艺条件

两试样连为一体,与铁水在500kg中频电炉中熔化试样为80mm球及15mm圆棒,

产品

件同在湿型内浇注,以保证浇注温度相同.

I_3试样观察与测定

试样金相组织在Neophot21卧式显徽镜上观察.深腐蚀试样在1000B型扫描电镜上进行观察与

收稿日期:1998—03—27责任编辑韩星明王卫勋

作者简介:扬恩成(1937一),男t西安理工大学副教授.

枷息战等:舍砷稀土镁球龉蒋铁约石出彤志

能分析试样巾砷的分l布曲线用Sxmacro电r探针测定

2试验结果与分析

2.1石墨形态

罔1为含砷15mm试样金相照片.石墨主要呈晶间分布的片状异态水草形.只有少

量球状.

大部分为带足型.水草形石墨呈网状分布于球墨共晶团问.光学显微镜下酷似D型

石墨探腐蚀后

的电镜照片却是罔2所示的石墨形态,片状石墨分枝频熬,端部尖锐,曷部的石墨t0O01)同上出现球状突起物,状似蠕墨从罔3电镜照片显示中町推断,水草形石墨是从石墨球中石墨的棱面【1010)长出的.片状生长的平行纹理清晰可见, 长出一段以后出现分枝.石墨片上也长出球状突起物图{是80I]lrlt球的石墨形态.石墨球圆整规则,异态球很少,品问石墨是松枝形,数量也较少,石墨球上长出的变异石墨也呈松枝形图5是放大后的品问橙枝形石墨及圆整规则的石墨球.图6是长出松桂形石墨的石墨球而无砷试样的石墨形态(图略),虽然全部为球状石墨,但规则球形不多,主要是常态不规则团形石墨

2.2球墨铸铁中的砷

砷在球墨铸铁中的分布及存在形态无疑对石墨形态有重 ;?|,t

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要影响.图7至图9是Sxmacro电子探针对砷的扫描曲线,图1古砷15试样石噩形态(×100)

在石墨内,特别是球形石墨内砷含量低,在晶间水草形石墨区域内砷含量高,球墨的边缘处砷曲线

有峰值.石墨球变为片状生长处.以及石墨球中心的白点在砷曲线上都有峰值.水草形石墨分布区

正是晶问区域,是金属凝固迟缓的区域,此处为高砷分布,表明砷在球墨铸铁中是正偏析元素.其

平衡常数二0.25;在石墨球的边缘有高砷分布,也表明球墨铸铁在凝固过程中界面前沿有砷的

富集.

阌2深腐蚀后电镜下的水草形石墨c×850)图3深腐蚀后屯镜1,带k百攀【×2000) 砷的存在可是单质也可以是化台物,可以生成As(),As.S,氧硫砷等元素都会在石墨表面形成化台物,砷与镁及其它球化元素能形成稳定化台物0].与铈形成CeAs,与镁生成MgAs

罔10是对石墨球中白点所做能谱分析结果,显示出自内古有si,S,Ca,Ia,Cc,Na,As.

其中

s,Cc,As的峰值最高;有的白氧有Mg存在观察中发现.许多石墨球内部有自点.一些变态片

状石墨内也有自点.这种自氧有可能起到石墨生长核心的作用砷与球化元素Mg,Ce的作用削弱

了球化效果,易出现球化不良现象;『盯j反球化元素S的作用则减小了对球化的有害作用.罔1l足

对水草彤石墨边缘所做的能谱分析结粜,[11]线上议有Si,Cu,Fc,As的峰值..尽管A有两种存在

形态,但在本研究中的存在形态尚需进一步研究.

48西安理工大学(199g)第15卷第3期

喾

女

{

量

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《

图48O球石墨形态

(×1O0)

囤5晶问松技形石墨

(×800)

图6从球墨上长出的橙

枝形石墨(×800)

??一囝7过带足型石墨(×5oo)图8过墨球中自点(×lOOO)囝9过水草型石墨

区(×500)

一

札

图】0墨球中自点能谱分析图n晶间水草形石墨区能谱分析

23砷对石墨形态的影响

非平衡凝固条件下,k<1的台金,凝固界面前沿出现溶质富集,凝固速度越大,富集也越严重.

本研究也是非平衡凝固,凝固界面前沿也必然有砷的富集,正如电子探针与能谱分析表明的那样,

晶间片状石墨医是凝固缓慢区域,砷值高,曲线在球墨边缘处有砷的峰值.在凝固初期析出的固相

中砷值要很小.凝固全过程中,砷在界面前沿的浓度是变化的,其范围是从L,C.到c.,计算表明

《 _

诵

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扬思成等:含砷稀土镁球墨铸铁的石墨形态

本研究的变化值是0.03,0.48砷的反球化作用允许值是0.05,0.09,它与铁水中氧,硫

含量,球化剂加入量以及铸件凝固速度有关可见,虽然本研究中砷含量为0.12,但凝固的前沿

不会迅速达到或超过允许浓度,而要有一个过程.

15mm试样凝固速度快,界面前沿铁水内砷不能充分扩散,富集严重,砷的浓度很快

达到

,超过允许值.此后的界面都在这一高浓度中推进,砷与镁,稀土若形成化台物,消耗了球化

元素,也改变了石墨的生长方式,变球状生长为片状生长,表现出砷的强烈反球化作用,石墨形态

很少出现球状.对于中8Omm球,凝固速度相对缓慢,凝固界面前沿铁水中砷有机会扩散,浓度不

会很快达到允许值,金属固相及石墨球在低于允许浓度条件下生长,砷则不表现反球化作用,因砷

削弱氧,硫的反球化作用,使墨球更加圆整.只有晶问少量的铁水中砷富集浓度超过允许值,致使

石墨变异.

砷浓度低于允许值的铁水中,除砷因与硫,氧作用而增加球墨核心外,也消除了硫,氧反球化

作用,因而球墨更加圆整当砷超过允许值时,也表现出反球化作用,正如过量的稀土元素也使球

墨变异那样口],由于分布不均匀,局部浓度可能更高,使球带足,如图7所示对于大断面球铁,凝固缓慢,硫,氧富集于最后凝固的部位,致使铸件的中心石墨畸变J,加人

适量的砷可以消除这种异形石墨.正是因为凝固时氧,硫,砷同时向铸件中心富集,由于砷的作用

消除了氧,硫的反球化作用,砷也不会达到有害的浓度,甚至球墨比无砷时更圆整. 经以上分析表明,砷对球化的影响是复杂的,当含量超过允许值时表现出反球化的作用,含量

低于允许值时不表现反球化,甚至石墨球更圆整还与凝固速度有关,试样截面大小不同,砷对球

墨形态影响也会不同.

3结论

砷对球墨铸铁中石墨生长的干扰作用,与凝固建度有关.凝固速度大时(15i,~lm试

样),畸变

石墨为水草形,球墨为变异不规则形;凝固速度小时(80mm球),畸变石墨为晶间松枝形,球墨主

要是圆整规则形.

砷在稀土镁球墨铸铁中的分布是不均匀的,石墨内最少,晶问最多;砷有可能与其它元素富集

一

起形成石墨晶核.

参考文献:

[1]美国铸造师学会.球墨铸铁金相图谱[MI.高钦,郑本伟译大连:大连理工大学出版社,1988.52,63

[2]布刘克斯,伊明科夫.弗奠拉德.铸铁冶金学[M].上舞工业大学,华中工学院.浙江大学合译.北京:机械工业

出版社,1983.123.

[33谢义达,韦世鹤,黄志光等.稀土球墨铸铁中石墨形态且其形成机理[M].球

24. 铁.198o(4):2l,

E43沈用铸造研究所,大连工学院,上海科学技术研究协会.球墨铸铁[M].北京机械工业出版社,1982.46~74.

范文三：【doc】分形学在球墨铸铁石墨形态模糊评价系统中的应用

分形学在球墨铸铁石墨形态模糊评价系统

中的应用

分形学在球墨铸铁石墨形态模糊评价系统中的应用

ApplicationofFractalinFuzzyEvaluationSystem

ofGraphiteShapeinNodularCastIro 单鹂娜,李大勇

(哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,哈尔滨150080) 摘要:用分形维数描述了球墨铸铁石墨球的圆整程度和轮廓起伏程度,并介绍了分形学在球墨铸铁石

墨形态模糊评价系统中的应用

关键词:球墨铸铁;石墨形态;模糊评价;分形维数

中图分类号:TG143.5;文献标识码:A;文章编号:1006—9658(2005)02—03 Abstact:Fractaldimensionhasbeenusedtodescribesphericityde~eeandprofileroughnessd

egreeofgraphite

innodularcastiron,andapplicationofffactalinfuzzyevaluationsystemofgraphiteshapeinno

dularcastironhasalso

beenintroduced.

Keywords:Nodularcastiron;Graphiteshape;Fuzzyevaluation;Fractaldimension

1前言

在经典几何中,自然界很多对象都是用整维来

描述的.但是自然界的很多真实形态起伏不平,曲

曲弯弯,不足以光滑,规则,用整维不能对图形的整

体复杂性和图形占领空间的规模给出很好的描

述【lI.自Mandelbrot等人于1984年提出金属断裂表

面的分形分析以来,分形已愈来愈受到材料研究工

作者们的重视.石墨形态对球墨铸铁的力学性能有

显着的影响,因此,在石墨形态的评价中描述石墨

球的圆整程度是非常重要的.形状因子SF(Shape Factor)法,被认为是目前定量描述球墨圆整程度较为精确的分析方法,但SF法仅给出了石墨颗粒二维剖面趋近圆的程度,而分形维数可用来描述石墨球的轮廓起伏程度.以往对球铁石墨形态的判定只根据球化率或单一的某个因素,不能同时反映石墨球的球化程度,圆整程度和分散程度,因此,我们需要研究一种新的方法来综合评价石墨形态.根据不兼容原理,当系统的复杂性加大时,有意识的认识能力降低,系统的模糊性加强,因此,可用模糊数学来合理描述,分析和评价球铁中石墨的形状和分布【3l.基于以上分析,本文将讨论分形学用于球墨铸铁石墨形态模糊评价系统中的可行性. 2石墨形态的分形维数

2.1分形维数测定方法

收稿日期:2004—12—03

文章编号:2004—204

作者简介:单鹂娜(1976一),女,讲师

测定分形维数的方法大致有三种:小岛法,垂直截面法和扫描二次电子法.由于小岛法和扫描二次电子法尚存在一些不足,目前大都采用垂直截面法,并借助自动图象分析仪进行测量].垂直截面法是用各种不同的标尺测量轮廓线的长度,进而计算出分形维数.

分形维数D表征石墨边缘的起伏程度,它在1 与2之间,其值越大,轮廓线起伏程度越大.分形维数具体算法:按照分形理论,线的估计长度具有测量单位的幂函数特征,即:

L=(1)

式中为常数,式(1)两边取对数,得:

lnL=lnC+(1-D)lne(2) 变动测量值,利用最小二乘法可估计D

值.D的加入完善了形状因子的度量方法,可将SF 和D二个参数进行归一化处理或分开使用,这里作为圆整度的两个参数,在本模糊评价系统中作为两个评价因素.SF-D法可望成为球铁石墨颗粒二维金相定量分析最精确的一种方法.

方法 2.2参数提取

因为要用各种不同的标尺测量石墨球的周长, 所以轮廓线上的特征信息的可靠性就显得尤为重要.因而在测量时,为能得到真实的轮廓线特征,应首先对图像进行处理,我们采用DELPHY软件系统对图像分别进行二值化,去噪,然后提取参数和 .其中,是测量单位,是对应的石墨球的周长. 在DELPHY软件中,采用盒子计数法对金相图中每个石墨球分别以不同半径测500组数据.即利用

试验研究

数.

图1为某球墨铸

.?囊

图为某球墨铸-;

DELPHY软件测定,分?,?

?球500组数据,经过鑫-

3分形学在模糊评价中的应用

3.1球墨铸铁石墨形态模糊评价系统日] 模糊评价系统包括评价因素集,评价等级集, 评价权重集和隶属函数:

(1)评价因素集:在球墨铸铁石墨形态二级模糊评价系统中,球化率,圆整度,分散度为评价因素,圆整度包括形状因子SF和分形维数D,分散度包括单位面积石墨颗粒n和单位面积比P. (2)评价等级集:石墨形态可用若干个不同的等级来表示评判工作中的具体要求,因此构成了评价集:

{1,2…}V?R(4)

其中表示球化等级的第等级,本系统中

有六个等级,即={1,2,3,4,5,6}. (3)评价权重集:在评价系统中,各个因素对评价等级影响的程度各不相同,所以对每个因素赋予相应的权重值,经过人为商榷和实践检验,本系统权重集为:

二级评价A={0.50.30.2} 一

级评价A:={0.50.5}

A3={0.50.5}

其中A为球化率,圆整度和分散度所占权重. A:为圆整度中面积率和分形维数所占权重.A,为分散度中单位面积石墨面积比和单位面积石墨个数所占权重.

(4)隶属函数:根据模糊数学理论,隶属函数确定的方法多种多样,并没有统一的模式.本系统中包含若干个模糊因素,因此可先求各因素模糊集的隶属函数,再综合出模糊概念的隶属函数,本文中各因素的隶属函数均符合半梯形分布.

(5)综合评价:本系统为二级评价模型,首先

进行第一级的评价,即建立单因素评价矩阵,对该元素的权重和评价矩阵进行运算,得到第一级评价结果.然后对第二级进行综合评价.以球墨铸铁石墨形态为例,评价模型I为:

厂D]

fAlcR1]lI

C--A.B=A.lA2cR2f=AclB2l=A:(6)3(5)【 A3cR3Jf目lL,jJ

其中C为综合评价结果,日为第i类因素评价结果.

3.2分形维数在模糊评价中的应用

(1)权重:在一级评价中,圆整度所占权重为 0.3;在圆整度二级评价中,分形维数所占权重为 0.5.

(2)隶属函数:通过对球墨铸铁标准图片进行统计分析,可得到分形维数D隶属函数,1~6级隶属函数如图2,图7.

对于图1中球墨铸铁的石墨,测得分形维数D 为1.1406,其他数据如下:

表2图1球墨铸铁石墨形态测量数据球化率面积率分形维数单位面积石墨个数单位面积比 /S,sF,D/n/p

O.8125O.7O751.14o620.4891O.【x】3O 根据半梯形隶属函数可求出:

球化率隶属度:

S=[00.1251.00000.875000】

面积率隶属度:

SF=[O0.93041.00000.069600】

分形维数隶属度:

D=『0.53981.00000.64200.0817001

单位面积石墨个数隶属度:

n=[100000】

单位面积比隶属度:

p=[00000.03781.0000】

球化率隶属度:

R1=日1

圆整度隶属度:

『00.93041.00000.069600] R2【0.53981.00000.64200.081700J

已知权重为A:={0.50.5},对R进行量纲归一 15

鑫

第1I謇}分形雉数隶属度函数第2缓分形摊披隶属度函数嚣蝴分形雒教隶属_霆

菡数

圈2

第搬分形维数隶属度函数

圈3

第5;目《分形雉敲隶属度函数

圈5圈6

化处理后,得:

B22.尺2

『O.26990.96520.82100.075600]

分散度隶属度:

『1.000000000]R

OOOO0.03781.0000J 已知权重为A,={0.50.5},对尺进行量纲归一

化处理后,得:

Bc尺

[0.50000000.01890.5000】

石墨形态隶属度:

c—

Il=

【O.18100.35210.74630.46020.00380.1000]

根据最大隶属度原则,bi=?,其中maxbj所i=1 对应的vj为最佳选择,所以图1所属级别为3级. 4结论

运用分形维数的思想来描述石墨球的轮廓起伏程度,与形状因子法相配合可以准确的定量分析球墨铸铁石墨的圆整程度.通过大量实验证明,分形维数作为一个因素在球墨铸铁石墨形态模糊评价中的应用是成功的,它合理的体现了圆整度在石墨形态判定中的重要性.运用本系统改善了以往仅依据某单一元素判断石墨形态的不足,证明了模糊 16

蓝

图7

数学理论应用于球墨铸铁石

墨形态判定的可行性.

参考文献

l汪富泉.分形——大自然的艺术构

造.济南:山东教育出版社.1996: 7,2l

2李建明,林汉同,朱光喜,等.基于分

形的铸铁石墨颗粒形态的评定方

法,铸造,1997,46(6):16,l8

3徐建林,陈超.球墨铸铁球化级别

的模糊评价模型,机械工程,

2004.40(6):l55,l6l

4曾祥恒,张彦华,陈丙森,等.材料断

口轮廓线分析系统.航空制造工

程,1994(3):3-5

5张志三.漫谈分形.长沙:湖南教育

出版社.1993:10,15

6杨伦标,等.模糊数学原理与应用.

广州:华南理工大学出版社,1993: l5l,l56

宝钢介入汔车霉部件业

作为中国最大钢铁集团的上海宝钢集团公司近日启动汽车零部件产业发展规划,多个合资,收购项目也同时推进.据宝钢方面透露,宝钢发展汽车零部件产业,将以车轮,车体,动力传动系统和汽车底盘系统的生产和供应为核心,计划到2010年, 使汽车零部件的年销售额超过100亿元. 届时,宝钢将成为一个居国内同行业前列,拥有研发能力,自主知识产权及规模化制造体系,国际化营销网络的汽车零部件制造商和供应商. 目前,宝钢已着手与意大利,日本,加拿大,美国的厂商开展技术和商务交流,并开始筹划在芜湖,重庆等地建立钢制车轮生产基地,与江淮汽车,

上海通用五菱,华展金杯等汽车制造企业的车体合作顶目也正在进行.此外,与外商合资建立的底盘系统生产基地——广州万宝井项目投入试运营,将小批量地为阳光等品牌汽车的生产提供配套. 业内人士表示,宝钢将其产业链延伸至汽车零部件业,这种上下游产业之间的资本渗透和融合, 对提高中国制造业的整体实力十分有利,也使自身找到高回报投资空间.此前,宝钢已与一汽,上汽和东风等国内主要汽车商结成了战略联盟,优先确保战略用户的汽车板供应,先期介入汽车厂商的新车型研发.

范文四：石墨球形态对球墨铸铁弹性模量的影

金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 2011年10月

石墨球形态对球墨铸铁弹性模量的影响

孙泽涛1，高丽丽2

(1.山东劳动职业技术学院，山东济南250022；2. 山东大学材料科学与工程学院，山东济南250022)

摘

要：以QT700为对象通过拉伸试验、压缩试验、扫描电镜分析、金相分析、差热分析(DSC)和热膨胀性能测试

(DIL)探讨了QT700的弹性模量、力学性能、显微结构及热性能之间的关系。结果表明：球墨铸铁的弹性模量、抗拉强度

及球化率相关；材料的热性能、塑韧性与石墨球的尺寸有一定关系；DSC 曲线与珠光体含量存在一定关系。

关键词：球墨铸铁；弹性模量；微观组织结构；力学性能；热性能中图分类号：TG113.25

文献标识码：A

文章编号：1001-3814(2011)19-0034-05

Effect of Elastic Modulus of Ductile Cast Iron on Graphite Morphology

SUN Zetao 1, GAO Lili 2

(1.Shangdong Labor Vocational and Technical College , Jinan 250022, China ; 2. College of Material Science and Engineering , Shandong University, Jinan 250022, China )

Abstract ：The elastic modulus ，mechanical performance, microstructure and thermal properties of QT700were studied by tensile test, compression test, SEM obseroation, DSC analysis and thermal expansion test. The results show that, the elastic modulus of ductile cast iron has relationship with spheroidization rate and breaking strength. The thermal properties and plasticity are interrelated with the size of graphite ball. The DSC curve is related with pearlite content.

Key words ：elastic modulus; ductile cast iron; mechanics performance; microstructure; thermal properties

弹性模量是材料的工程应用、构件设计和科学研究等方面的重要物理量，也是金属材料评定、选用以及加工工艺选择的主要依据。随着社会发展和国防的需要，近代航空、航天、无线电及其精密仪器工业对金属材料的弹性有更高要求。球墨铸铁以其优良的性能被广泛应用，许多学者也对其作了大量研究。球铁的弹性模量决定了铸件服役时的稳定性，因而关于球铁弹性模量的研究有一定重要性。但是文献报道的相关研究却很少[1-5]。

本文通过拉伸试验、压缩试验、扫描电镜观察，分析了试样的显微结构，并对其进行差热分析

GB/T228-2002进行。

用热膨胀测试后的三件试样与未进行热处理的三件试样在CMT5105型微机控制电子万能实验机上按照要求进行试验。微观分析采用扫描电镜

(SEM)及金相试样的组织观察；应用金相分析软件

进行分析得出石墨球数目和面积率等统计特性。

差示扫描量热分析(DSC)主要用于研究快凝合金显微结构中亚稳相的转变温度以及转变动力学特征。实验采用Netzsch DIL 402C 型热膨胀实验装置测试球铁的线膨胀系数。

(DSC)、热膨胀性能测试(DIL)来探讨球墨铸铁的力

学性能、显微结构、热性能对弹性模量的影响，为提高球铁的弹性模量提供相关依据，希望对实际生产中球铁性能的改善起到作用。

2实验结果及分析

2.1拉伸试验

表1为3种球铁试样的拉伸试验结果。可看出，1#试样的弹性模量最大，其次是3#试样，2#试样弹

性模量最低；而抗拉强度正好与之相反，从大到小依次是2#、3#、1#。由此得出，弹性模量随抗拉强度的提

表1拉伸试验结果

1实验内容和方法

试样采用苏州沙特卡铸造有限公司送检的拉伸试样共三件。拉伸及压缩试验采用德国

Tab.1Tensile strength of samples

试件

直径

屈服载荷屈服强度/抗拉载荷抗拉强度弹性模量

SCHENCK-RSA250型电子万能试验机，试验按照

收稿日期:2011-01-05

作者简介:孙泽涛(1964-) ，男，山东平度人，教授，主要从事铸造合金

的设计应用推广工作；电话：13361021380；

/mm 13.7513.9213.70

/N 688007000067500

(N/mm2) 463.0460.0458.7

/N 112800.0118050.0112400.0

/(N/mm2) 760.0776.0762.6

/GPa 168.0147.5156.0

1#2#3#

E-mail:sunzeta6658@163.com

Hot Working Technology 2011, Vol.40, No. 19

上半月出版

高而降低。对于球铁等脆性材料，拉断时的应力即抗拉强度，是衡量强度的唯一指标。抗拉强度的大小主要取决于材料内部抵抗塑性变形的能力，即抵抗晶体滑移、位错移动等的能力。珠光体是铁素体与渗碳体的机械棍合物，铁素体与渗碳体的界面能很好地

(a)

(b)

Casting ·Forging ·Welding 金属铸锻焊技术

阻碍位错的移动，因而基体中珠光体含量的增加，会引起抗拉强度的明显提高。弹性模量是对基体组织不敏感的物理参数，所以弹性模量会随抗拉强度的提高而缓慢下降[6]。

图1分别是1#、2#、3#试样拉伸试验断口放大不

(c)

×200

75μm

(d)

(e)

75μm

(f)

75μm

×600

25μm

(g)

(h)

25μm

(i)

25μm

×1200

25μm

图11#、2#、3#球铁试样断口SEM 图像

Fig.1SEM images of 1#, 2#and 3#samples under different amplification factor

同倍数下的SEM 图像。在放大200倍的图中，可看出，球铁试样断口均为准解理断口，其中1#试样有较多的韧窝和撕裂棱；2#试样的韧窝和撕裂棱较1#少；3#试样中有明显的解理台阶，韧窝也少。在放大

2.2压缩试验结果

从拉伸试验后的三件试样中各取出两段，其中一段进行热膨胀测试，另一段不进行处理，然后对这六段试样都进行压缩试验。

图2为热处理前后的应力-应变曲线。可看出，三个试样的曲线起始阶段差别大，这从计算结果可得到证实。

表2为未经热处理与热处理后的三种球铁试样的压缩试验结果。可看出，压缩弹性模量与拉伸弹性模量差别很大，经分析原因为，压缩试样未与压缩机

600倍的图中，1#、2#试样有大的韧窝，舌状花样解理台阶；3#试样韧窝很少，较接近解理断口形貌。在放大1200倍的图中，1#较平缓的解理台阶与大而浅的

韧窝混合，其解理台阶与韧窝边缘有弯曲的撕裂棱；

2#也能看出有撕裂棱；3#是鱼骨状花纹，由以上分析可以认为，1#试样塑性较好、2#次之、3#最差。

《热加工工艺》2011年第40卷第19期35

金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding

表2未经热处理与热处理后的三种球铁试样的压缩试验结果

1200(a)1000σ/M P a

8006004002000

1200(b)1000σ/M P a

8006004002000

1#2#3#1#2#3#

2011年10月

Tab.2Compression experiment results of different ductile

iron before and after heat treatment

试样

未经热处理

热处理后E /GPa拐点前

拐点后

E /GPa16.5512.5213.86

17.1120.1620.19

8.498.998.64

0.050.100.150.200.250.300.35

ε(%)

的垫板完全垂直使得试样发生了剪切变形，这样计算出来的结果就不够精准。但是数据仍能反映试样之间的一种相对大小关系，并不妨碍对结果的分析。在图

2中未经热处理的试样弹性模量与拉伸试验具有同

样的规律，而热处理后的试样基本是呈相反的关系，这说明热处理对其性能造成一定影响。热膨胀测试的温度是25～600℃，在这期间不可能发生相变，而且铁的再结晶温度是450℃，所以球墨铸铁也有可能在热膨胀测试中发生了回复再结晶。一般再结晶后材料的强度和硬度会下降，塑性和韧性会提高，由此推断

(a)

(b)

0.050.100.150.200.250.30

ε(%)

图2未经热处理(a)和热处理后(b)的三种球铁试样的压缩

应力-应变曲线

Fig.2Stress-strain curve, of different samples before (a)and

after heat treatment (b)

(c)

未热处理

25μm

(d)

(e)

25μm

(f)

25μm

热处理

75μm

图3为未经热处理和热处理后的1#、2#、3#试样的球铁试样的压缩侧面SEM 图

Fig.3SEM images of 1#,2#and 3#samples before and after heat treatment

回复再结晶造成热处理后的弹性模量发生变化。

图3为未经热处理和热处理后的1#、2#、3#试样的球铁试样经压缩后的侧面SEM 图。可看出，未经热处理的图中，3#试样的裂纹最大最深。从图2中还可看出，3#试样的抗拉强度最小，所以两者是相对应的关系。2#试样裂纹最深最明显，分析原因：由压缩

应力应变曲线可明显看出2#试样抗压强度最低，所以2#试样产生的裂纹大小是与抗压强度相一致的。

2.3石墨球形态分析

图4为试样腐蚀前后的金相图。可看出，试样腐蚀后，石墨球的形态更加清晰，显示了石墨球的原貌。表3的数据表明球化率1#>3#>2#，由拉伸试验可

Hot Working Technology 2011, Vol.40, No. 19

上半月出版Casting ·Forging ·Welding 金属铸锻焊技术

(a)(b)(c)

腐蚀前

85μm

(A)

(B)

85μm

(C)

85μm

腐蚀后

85μm

图41#、2#、3#试样的球铁试样腐蚀前后的金相图×500

Fig.4Images of 1#，2#and 3#samples before and after corrosion ×500

知，弹性模量为1#>3#>2#，因此可推断，球铁的弹性模量与球化率呈正相关，即球铁的弹性模量随球化率的降低而降低。当球化率降低时，显微组织中逐渐出现团状、团絮状、蠕虫状石墨，这种大量的非球状石墨的出现，一方面增加了石墨周围基体的应力集中现象，严重影响了基本组织作用的发挥；另一方面在相同石墨含量下，非球状石墨的表面积大于球状石墨的表面积，从整体上看是减少了金属原子之间的结合，从而导致E 值的下降。

由表3还可看出，石墨球尺寸1#>2#>3#，由拉伸断口的扫描电镜分析得，试样的塑韧性1#>2#>3#，因此认为，石墨球越大，球铁的塑韧性越好。分析原因：当石墨

表3三种球铁试样的石墨球面积、球化率及球化等级Tab.3Graphite area ，spheroidization rate and pheroidizing

可看出，在1050、1450K 左右时存在吸热峰，由图6可看到，在960、1400K 附近有放热峰。由铁碳相图可知，在1421K 时发生共晶转变，生成奥氏体和渗碳体，在

1000K 时发生共析转变，奥氏体转变为铁素体和渗碳体混合物即珠光体，所以推断1450K 时的吸热峰与1400K 时的放热峰是由共晶转变引起，1050K 时吸热峰与960K 时的放热峰是由共析转变引起。从表4与表5中得出共析转变时2#试样放热量最多(峰值面积

为放热量) ，由此推断2#试样的珠光体含量最多，这验证了拉伸试验时对珠光体含量的推断。

热流量

level of three kinds of ductile iron

石墨球平均面积/μm 2

球化率(%)

球化等级

1#2#3

2572.8942245.4422055.432

82.970.375.4

344

900100011001200130014001500

温度/K

图51#、2#、3#球铁试样升温时的DSC 曲线

球的尺寸很大时，在含碳量变化不大的情况下，石墨球的数目相应较少，因为石墨球在基体中相当于一个个孔洞有割裂基体的作用，所以石墨球数目越少对基体的割裂作用就越小，所以球铁就会表现出较高的塑韧性。

Fig.5DSC curves of 1#, 2#and 3#samples when

temperature elevating

由表6和图7可知，拐点前热膨胀系数1#<><3#，由微观结构分析知石墨球尺寸1#>2#>3#，因此，热膨胀系数与石墨球尺寸成反比关系即石墨球尺寸越小热膨胀系数越大。分析原因，石墨球尺寸小，说明在碳含

2.4DSC 曲线分析

图5为1#、2#、3#球铁试样升温时的DSC 曲线。

《热加工工艺》2011年第40卷第19期

金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding

0.006

3热流量

2011年10月

Stage Ⅲ

Stage Ⅱ

1#2#3#

0.005热膨胀d L /L 0

0.0040.0030.0020.001

Stage Ⅰ

800900100011001200130014001500

温度/K

300400500

600700温度/K

800900

图6三种球铁试样降温时的DSC 曲线

图71#、2#、3#球铁试样的热膨胀测试曲线

Fig.6DSC curves of three kinds of samples when

temperature decreasing

表4三种球铁试样升温DSC 曲线数据

Fig.7Thermal expansion test curves of 1#, 2#and 3#samples

生光学显微组织变化前的微观结构及性能变化过程。再结晶是指经冷变形的金属在足够高的温度下加热时，通过新晶粒的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代变形晶粒的过程[7]。因为热膨胀测试试样是从拉断后的试样上截取的，所以，试样可能发生了回复。又知铁的再结晶温度是723K ，所以试样也可能发生了再结晶。试样发生回复、再结晶后组织性能发生变化，影响了热膨胀系数。

Tab.4DSC curves of three kinds of samples when

temperature elevating

峰1

峰2

总峰

起点峰值终点峰面起点峰值终点峰面面积/J 温度/K 温度/K 温度/K 积/J 温度/K 温度/K 温度/K 积/J

1#766.72#766.53#769.3

782.0778.7784.5

798.025.221148.31175.71191.5113.9139.12792.928.381149.81171.71182.6108.8137.18799.128.241142.81181.11193.0125.9154.14

表5三种球铁试样降温的DSC 曲线

Tab.5DSC curves of three kinds of samples when

temperature decreasing

峰1

峰2

总峰

起点峰值终点峰面起点峰值终点峰面面积/J 温度/K 温度/K 温度/K 积/J 温度/K 温度/K 温度/K 积/J

3结论

(1)球铁的弹性模量与石墨球的球化率成正比

即石墨球的球化率越高，球铁的弹性模量越大；球铁的弹性模量与其抗拉强度成反比即球铁的抗拉强度越大，弹性模量越小。

1#1422.01404.21386.584.79968.12#1420.21407.71390.989.37968.53#1420.11399.21383.696.98965.5

944.2946.7939.8

922.374.67159.46927.581.25170.62924.871.44168.42

(2)石墨球的尺寸与球铁塑韧性成正比即石墨

球的尺寸越大，球铁的塑韧性越好；石墨球尺寸与球铁热膨胀系数成反比，即石墨球尺寸越大，球铁的热膨胀系数越小。参考文献：

[1]

陆文华，李隆盛，黄良余．铸造合金及其熔炼[M]．北京：机械工业出版社，2007．

房贵如，王云昭．现代球墨铸铁的诞生、应用及技术发展趋势

量相差不大时，其石墨球数目较多，这样石墨球与基体的接触总面积就会比较大，在加热膨胀时，一定温度区间其热膨胀量就比较大，即热膨胀系数也较大。

表61、2、3球铁试样的热膨胀系数

Tab.6Thermal expansion coefficients of 1, 2and 3samples

热膨胀系数

试样

热膨胀系数拐点温度/K 热膨胀系数

[2][3][4][5][6][7]

stage Ⅰ8.9754E-069.5159E-069.6509E-06

stage Ⅱ13.3195E-0614.2665E-0614.3967E-06

708.5696.6698.9

stage Ⅲ2.6991E-061.6673E-062.6064E-06

[M]．现代铸铁，2000，(1)：3-10．

陈熙探．对铸铁初生晶时球状石墨生成的认识[J]．铸工，

1#2#3#

1958，(6)：6-7．

曾大本唐靖林．我国铸铁铸造技术的回顾及展望[J]．铸造．

2002，51(4)：196-200．

图7中三条曲线均有明显的拐点，拐点前后热膨胀系数发生了很大变化。分析原因：在700K 左右，不可能发生相变等其他转变，最有可能发生的是回复或再结晶。回复是指冷变形金属加热时，尚未发

石力开．材料辞典[M]．北京：化学工业出版社，1997.275．杨长贺，陈美玲．球墨铸铁弹性模量与金相组织及抗拉强度关系的研究[J]．大连工学院学报，1996，(4)：70-72．

刘智恩．材料科学基础[M]．西安：西北工业大学出版社，

2003．

Hot Working Technology 2011, Vol.40, No. 19

范文五：振动对消失模铸造球墨铸铁石墨形态的影响

振动对消失模铸造球墨铸铁石墨形态的影响

宗晓明，樊自田，肖伯涛，龙威 (华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北武 43007汉)4

摘要:试验研究了振动对消失模铸造球墨铸铁试件石墨形态的影响，浇注阶梯试样，对比了厚度为 20 mm、40 mm、

60 mm试样，在静止凝固与振动凝固条件下的石墨形态变化。试验研究发现:振动可以显著增加石墨球的数目，随着

试样厚度的增加，石墨球增加明显，当厚度为60 mm时，振动凝固与静止凝固相比，石墨球数量增加了50.7%;振动下

凝固对石墨球的圆整度具有双重作用，振动凝固下的石墨球的圆整度低于静止凝固，随试样厚度的增加石墨球的圆整

度增加;振动凝固显著地降低了粗大石墨的比例，有效地提高了石墨的均匀性。

关键词:石墨形态;球墨铸铁;振动;消失模铸造

中图分类号:文献标识码:文章编号:TG249.6 A 1001-4977 (2011) 12-1205-04

Effect of Vibration on Graphite Morphology of

Lost Foam Cast Ductile Iron

ZONG Xiao-ming, FAN Zi-tian, XIAO Bo-tao, LONG Wei

(State Key Laboratory of Plastic Simulation and Die & Mold Technology, Huazhong University of

Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China) Abstract:Mechanical vibration was applied to lost foam casting (LFC) process of ductile iron. The influence of mechanical vibration on different thickness specimens (20 mm, 40 mm, 60 mm) was

investigated. The results show that the number of the graphite increases obviously with the increase

in thickness in vibration condition; for the specimen with thickness of 60 mm, the number of graphite

is increased by 50.7% compared with that in static solidification condition. Mechanical vibration has

bilateral effect on the graphite. The roundness of graphite was lower in vibration condition than in

static condition, but it increases as the thickness increases. Mechanical vibration reduced the

proportion of coarse graphite, as a result, the graphite nodules distribute more uniformly.

Key words:graphite morphology; ductile iron; vibration; lost foam casting

球墨铸铁中的石墨呈球状，对基体的削弱作用小，铁的制备中，研究振动对球铁消失模铸造石墨形态的

影响。不易造成应力集中，故强度高，又有良好的塑性和韧

性，而且铸造性能好、成本低、生产方便，在工业上 1 试验方法

应用广泛。消失模铸造是一种近净成形技术，在球铁 1.1 试验材料

件的生产中有着广泛的应用，主要用于汽车零部件及原料选用生铁，球化剂选用稀土镁硅铁合金，加 [1]管件的生产。由于消失模铸造采用干砂造型，铁液凝入量为1.4%，孕育剂选用75硅铁，加入量为0.4%。固时间长，造成石墨形核率低、石墨球粗大，降低了球球铁的力学性能，因此，探索改善球铁消失模铸造石铁最终化学成分 (质量分数) 为 4.50% C、0.69% S、 i墨形态的新工艺有较大的意义。 0.19% Mn、0.022% S、0.037%P ，余量Fe。

振动消失模铸造技术是在消失模铸造过程中施加试验用的模样材料为可发性聚苯乙烯泡沫塑料一定频率和振幅的振动，使铸件在振动场作用下凝 3(即 EPS)，其密度约为 0.02 g/cm，采用切削加工的固，从而实现细化铸件晶粒的铸造方法。该技术利用方法，将泡沫塑料板制作成长宽为 120 mm ×50 mm，消失模铸造中现成的紧实振动台，使金属液在动力激高度分别为 20 mm、 40 mm、 60 mm 的阶梯形模样，励下形核，是一种操作简便、成本低廉、无污染的方 30 mm ×30 mm ×1 900 mm 的直浇道和 10 mm ×20 mm × [2]法。目前，关于振动消失模的研究主要集中在铝镁 15 mm的横浇道，然后将试样与浇冒口部分用热熔胶 3[]合金，本研究将振动消失模铸造技术应用于球墨铸粘结而构成完整的模样，采用阶梯式浇注系统，如图1

基金项目:国家高技术研究发展计划 (863计划) 资助项目 (2007AA03Z11)3。收稿日期:20110829。 --

作者简介:宗晓明 (1987-)，男，硕士生，研究方向为铁合金消失模铸造。电话:027-87540094，E-mail:zongxiaoming100@163.com

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为BF-LD-TF的双向电磁振动台，在浇注前，即按设定

好的50 Hz频率及3 mm振幅进行振动，从浇注后开始计时，振动时间60 s。试验设备如图2所示。试验

中，

选用对铸件凝固过程中晶粒生长影响最为显著的垂直

[2]振动模式。浇注过程中真空度保持在0.65 Pa，浇注 M

完毕后继续保持该真空度5 mn。 i所示。在EPS模样表面涂刷自制的涂料，待涂料烘

干

后，将模样放入底抽式砂箱内，填入水洗石英砂，经

振动紧实台紧实后在表面盖上一层塑料薄膜，通过抽

真空使砂箱内松散的干砂变成坚硬的铸型。

试验结果及分析2 1.2 试验过程

将生铁置于中频感应电炉中熔炼，并用W300系列图3为静止及振动条件下，不同厚度处的石墨形态测温仪 (内置铂-铑热电偶) 测量其温度。铁液温度达图，图3a、3b、3c为静止凝固条件下20 mm、40 到1 500 ?时转入浇包，在浇包内进行球化孕育，当铁 mm、

液温度降至1 460 ?时，进行浇注。 60 mm处的石墨形态;图3d、3e、3f为50 Hz振动凝

振动采用东莞贝尔试验设备有限公司研制的型号固条件下20 mm、40 mm、60 mm处的石墨形态。 2.1 振动对石墨球个数的影响4 可以看出，为不同凝固条件下石墨球的个数。由图

在厚度相同时，振动凝固条件下的石墨个数均多于静采用Image J图像分析软件，对图 3中的石墨进

止凝固，在 20 mm、40 mm、60 mm 处与静止凝固相行分析统计，得到不同凝固条件下石墨球数。图4

所示

1207?? 宗晓明等:振动对消失模铸造球墨铸铁石墨形态的影响铸造

比，石墨个数分别增加了2.2%、18.75%、50.70%，随

着壁厚的增加，振动的效果加强，石墨个数明显增

加。静止凝固的试样，随着壁厚的增加，石墨球的个

数呈下降趋势，而振动凝固试样中石墨球个数的变化

与静止凝固试样相反。

振动凝固条件下，一方面，振动引起型内金属液

剧烈的扰动，破坏了石墨按球形生长的条件。由球形

晶生长理论可知，石墨晶体按球状生长的必要条件之

一是形成大量辐射对称的小角分枝。在振动条件下，

由于振动引起熔液内部形成粘性剪切，使得部分生 “”随着静止凝固试样厚度的增加，凝固时间延长，

长的石墨分枝发生折断、破碎，这将破坏石墨晶体呈核心失效严重，因此石墨球数明显减少。而在振动凝

球状生长的条件，导致早期石墨生长不均匀而产生畸固的试样中，振动促使熔液中石墨核心增多。由石墨

变，使石墨最终形态不圆整。此外，考虑到破碎的石的生长过程可知，在石墨按球形晶方式生长的过程中，

墨或石墨分枝形态不一定规整，这也导致以其为基底受石墨晶体缺陷、过冷度及石墨旁生长的奥氏体等因

生长的石墨球的最终形态也不规整，圆整度下降。另素的影响，将生成大量的分枝。在振动场作用下，型

一方面，随试样厚度的增大，振动的作用效果加强，粘性剪内液相与初生固相间将产生相对运动而形成“

[2]石墨的形核率增加，振动在熔液内造成的增大过冷度切，石墨生长过程中生成的分枝受此剪切作用 ”“”

效果，促进石墨周围奥氏体生核，这将促使凝固过程将被折断、破碎，由于石墨的失配度为零，是石墨结

中，奥氏体能够迅速包围石墨，形成封闭的晕圈。快晶最理想的基底材料，因而这些破碎的石墨分枝将作

速封闭的奥氏体晕圈可保护熔液中早期生成的细小石为石墨析出的新衬底，使石墨核心数增多。此外，由

墨，均匀地阻碍碳元素向石墨的扩散，故石墨生长缓于振动引起型内金属液产生剧烈运动，显著提高了系

慢且匀称，最终形态小而圆整。振动凝固时，随壁厚统的热传导能力，加快了金属液的凝固速度，增大了

的增加，石墨个数增多，最终形成的石墨比较细小，过冷度，促进石墨的生核。

受奥氏体晕圈保护的石墨数目增多，减小了石墨的畸 2.2 振动对石墨球圆整度的影响

[5]变。因此，在振动条件下，出现了随厚度的增加，石图5所示为不同凝固条件下石墨的形状系数。静止

墨圆整度上升的现象。凝固条件下不同厚度处，石墨的圆整度均高于振动凝

2.3 振动对石墨球均匀性的影响固。在20 mm、40 mm、60 mm处，振动凝固的石墨球

图6所示为不同凝固条件下，粗大石墨 (面积大圆整度与静止凝固相比，分别降低了 22.0%、15.9%、

于2 000 μm) 的比例。静止凝固条件下，粗大石墨的 3.0%，随着厚度的增大，二者的差距不断缩小。静止

比例较大，在 20 mm、40 mm、60 mm 处，粗大石墨凝固条件下，随壁厚的增加，石墨的圆整度下降;振

的比例分别为13.8%、15%、17%，随厚度的增加，动条件下，随壁厚的增加，石墨的圆整度上升。

粗大石墨的比例呈上升趋势。振动凝固条件下，粗大静止凝固条件下，石墨圆整度随壁厚的增加而下

[4]石降的原因是:?热力学过冷小，石墨球附近的碳逸值

墨的比例下降，在 20 mm、40 mm、60 mm 处，粗大低，奥氏体晕圈不能快速形成。于是，石墨球长时间

石墨的比例分别为 12.4% 、13.7% 、8.4% ，当厚度为与熔液接触，微量活性元素容易在石墨晶体上发生不

60 mm时，粗大石墨下降幅度最大，与不振动相比降均匀吸附。?随壁厚的增加，受液流扰动的影响增强，

低了导致早期石墨不圆整。?慢封闭的奥氏体壳使碳不均

56.5%。匀沉淀，引起共晶生长阶段不圆整石墨形成。

静止凝固时，随着试样厚度的增加，凝固时间延

长，石墨核心失效严重，球数减少，热力学过冷小，

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3 结论 (1) 振动凝固增加了石墨球的数量，随着厚度的

增加，振动的作用增大，在 60 mm 处，效果最明显，

与不振动相比，石墨球个数增加了50.70%。

(2) 静止凝固的试样，随厚度的增加，石墨圆整

度呈下降趋势，振动对石墨圆整度具有双重作用，整

体上看，降低了石墨的圆整度，但随着壁厚的增大，

石墨圆整度呈上升趋势。

(3) 振动凝固提高了石墨的均匀性，降低粗大石墨

的比例，随着厚度的增加，其作用效果增大。在60 mm

处，与静止凝固相比，粗大石墨的比例降低了56.5%。石墨球附近的碳逸减量 (指碳在固-液界面上的浓度

差) 低，奥氏体晕圈不能快速形成。于是，石墨球长参考文献: 时间与熔液接触，碳元素向石墨球的扩散阻力小，石 [1] 贺闻豪，叶升平. 我国球铁消失模铸造考察报告 [J]. 现代铸铁，墨的长大速度快。因此，随着厚度的增加，粗大石墨 2010( 6):3841. -

的比例上升。振动凝固时，随着试样壁厚的增加，凝樊自田，赵忠，唐波，等. 特种消失模铸造技术 [J]. 铸造设备与 [2]

工艺，2009 (2):1721. -固时间延长，振动的作用效果更加明显，振动在熔液

[3] 赵忠. 振动压力下铝 (镁) 合金消失模铸造组织性能研究 [D]. 武内造成的过冷度增大，增大了石墨周围碳的逸减量，汉:华中科技大学，2010. 加速了奥氏体壳的形成，奥氏体能够迅速包围石墨，周继杨. 铸铁彩色金相学 [M]. 北京:机械工业出版社，2002. [4] 形成封闭的晕圈。快速封闭的晕圈均匀的阻碍碳元素 Zhou jiyang， Schmitz W， Engler S. Formation of austenitesh ell [5]

向石墨的扩散，石墨生长缓慢且匀称。因此，粗大石 around nodular graphite aitnds e ffect on deterioration of graphite[ J].

AFS 墨减少，可见，振动可以有效地提高石墨的均匀性， Transaction，1990 (98):783-786. 尤其是对于厚大部位，提高更加明显。

(编辑:刘冬梅，ldm,foundryworld.com)

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