試樣壁厚對振動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)國家重點實驗室，武漢，430074

0 引言

球墨鑄鐵因其力學(xué)性能好、成本低等優(yōu)點而被用作結(jié)構(gòu)材料，主要用于制造內(nèi)燃機、汽車零部件及農(nóng)機具等。消失模鑄造技術(shù)是一種近無余量、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、孕育處理［4－8］等。在消失模鑄造過程中施加振動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。將振動應(yīng)用于鋁合金、鎂合金消失模鑄造的研究［9－11］表明，振動可以細(xì)化鑄造合金的組織，提高其性能。然而，關(guān)于振動對消失模鑄造球墨鑄鐵組織及性能影響的研究未見報道，振動對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，設(shè)計了6個壁厚的階梯試樣，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，研究試樣壁厚對振動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，各臺階壁厚分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm和60mm，每個臺階的長度為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)沖入法進行球化及孕育處理，澆注溫度為1460℃。澆注過程借助型號為BF－LD－TF振動臺進行球墨鑄鐵的振動消失模鑄造，裝置示意圖如圖2所示。填入干燥石英砂緊實、覆蓋塑料薄膜、開真空閥抽真空（真空壓力為0.03MPa），在振動作用下進行澆注成形（振動頻率為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 振動臺示意圖

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方體金相試樣，與振動方向平行的側(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%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，在光學(xué)顯微鏡上進行組織觀察；從每個壁厚試樣的石墨形態(tài)照片中隨機抽取10幅，利用JX－2000圖像分析軟件對鑄鐵中石墨球數(shù)進行統(tǒng)計分析，取其平均值；通過比較分析的方法研究試樣壁厚對振動消失模鑄造球墨鑄鐵組織的影響。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試樣壁厚對鑄鐵石墨形態(tài)的影響

圖3所示為振動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中石墨球個數(shù)的統(tǒng)計分析結(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)石墨球的個數(shù)Q先由10mm厚試樣中的190個降低到30mm厚試樣中的152個，然后又逐漸增大到60mm厚試樣中的257個。在壁厚為60mm的試樣中，單位面積內(nèi)石墨球的個數(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)石墨球的個數(shù)相對于30mm厚試樣增多了69.5%。

圖4 球墨鑄鐵石墨球統(tǒng)計分析結(jié)果

在合適尺寸的試樣中，振動可顯著增加石墨球的數(shù)量（圖2）。振動可以促進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)的存在會在熔體中引起空穴形核［12］。當(dāng)空穴崩潰時，臨近空穴的熔體進入空穴的同時，會引起局部壓力的增大。根據(jù)克拉－柏龍公式可以推測［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，壓力對凝固點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，相圖會發(fā)生改變，熔體過冷度比低壓時的高。因此，在振動凝固試樣中空穴的被破壞程度比未振動凝固試樣大，在振動試樣的熔體中引入的壓力較未振動凝固試樣的高。振動促進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，振動促進了碳原子的運動，降低了碳原子在石墨晶核上的堆積，由于這些原因，石墨球的長大速度受到了抑制。因此，盡管在振動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，石墨球的個數(shù)先減少后增多，這是因為隨著壁厚的增大，鑄件的體積增大，試樣的凝固時間被延長，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，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補充，導(dǎo)致石墨球的個數(shù)減少。當(dāng)試樣壁厚大于30mm時，石墨球的個數(shù)反而增加。一方面，鑄件內(nèi)部的蓄熱會引起球化失效，減少試樣中的石墨球個數(shù)；另一方面，試樣壁厚的增大降低了金屬的凝固速度，延長了金屬結(jié)晶的時間。金屬液的溫度由澆注溫度降低到共晶轉(zhuǎn)變溫度所需要的時間被延長，增加了振動對液態(tài)金屬和固液混合區(qū)的金屬的作用時間，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數(shù)。因此，隨著試樣壁厚的增大，石墨球的個數(shù)增多。

2.2 試樣壁厚對球墨鑄鐵基體組織的影響

圖5 球墨鑄鐵基體組織圖

圖5所示為振動消失模鑄造球墨鑄鐵的基體組織圖。由圖5可以看出，振動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奧氏體組成。根據(jù)文獻(xiàn)［15］的觀點，在一定溫度下，初生球狀石墨從鐵水中析出，并獨立生長，在其周圍會形成一定范圍的碳的逸減區(qū)。球狀石墨長大到一定尺寸時，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使奧氏體殼厚度增加。外加振動加速了試樣各部分的傳熱與對流，使鑄件內(nèi)部溫度場趨于平緩，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)量勢必也隨之增多。當(dāng)壁厚較小時，試樣冷卻速度較快，凝固時間比壁厚較大試樣要短，因而試樣在振動力未對基體組織產(chǎn)生明顯影響之前就已凝固完畢，振動在金屬熔液內(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，振動力對其作用比較充分，“黏性剪切”現(xiàn)象會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，振動消失模鑄造球墨鑄鐵中每平方毫米內(nèi)的石墨球個數(shù)先減少后增多，60mm的試樣中石墨球個數(shù)最多，為257個；30mm的試樣中最少，為152個。同壁厚為30mm的試樣相比，60mm的試樣中每平方毫米內(nèi)的石墨球個數(shù)增加了69.5%。

（2）隨著試樣壁厚的增大，振動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。這是因為試樣壁厚的增大，降低了試樣的冷卻速度，延長了振動對凝固組織的作用時間，增強了振動力對結(jié)晶組織的“黏性剪切”作用，使鑄鐵組織得以細(xì)化。

（3）借助振動凝固技術(shù)可實現(xiàn)對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。

［1］ 解明國，吳來發(fā)，程貴珠，等.球墨鑄鐵Dg75閥體消失模近凈型鑄造［J］.特種鑄造及有色合金，2006，26（4）：236－237.Xie Mingguo，Wu Laifa，Cheng Guizhu，et al.Dg75 Ductile Cast Iron Valve in Lost Foam Casting［J］.Special Casting and Nonferrous Alloys，2006，26（4）：236－237.

［2］ Liu X J，Bhavnani S H，Overfelt R A.Simulation of EPS Foam Decomposition in the Lost Foam Casting Process［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，182（1/3）：333－342.

［3］ Liu Z L，Hu J Y，Wang Q D，et al.Evaluation of the Effect of Vacuum on Mold Filling in the Magnesium EPC Process［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，120（1/3）：94－100.

［4］ Song J M，Lui T S，Horng J H，et al.Vibration Behavior of a Precipitation－h(huán)ardening Aluminum Alloy under Resonance［J］.Scripta Materialia，2004，51（12）：1153－1157.

［5］ Zhong G，Wu S S，Jiang H W，et al.Effects of Ultrasonic Vibration on the Iron－containing Intermetallic Compounds of High Silicon Aluminum Alloy with 2%Fe［J］.Journal of Alloys and Compounds，2010，492（1/2）：482－487.

［6］ Taghavi F，Saghafian H S，Kharrazi Y H K.Study on the Effect of Prolonged Mechanical Vibration on the Grain Refinement and Density of A356Aluminum Alloy［J］.Materials and Design，2009，30（5）：1604－1611.

［7］ 陳康華，黃蘭萍，胡化文，等.熔體超聲波處理對超強鋁合金組織和性能的作用［J］.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，36（3）：354－357.Chen Kanghua，Huang Lanping，Hu Huawen，et al.Effect of Ultrasonic Melt Pretreatment on Structure and Properties of High Strength 7055Aluminum Alloy［J］.Journal of Center South University.（Science and Technology），2005，36（3）：354－357.

［8］ Huang Y D，Kainer K U，Hort N.Mechanism of Grain Refinement of Mg－Al Alloys by SiC Inoculation［J］.Scripta Materialia，2011，64（8）：793－796.

［9］ 趙忠，樊自田，成平，等.Al－Si－Mg－Y合金消失模鑄造振動壓力凝固的組織與性能［J］.中國有色金屬學(xué)報，2010，20（8）：1520－1526.Zhao Zhong，F(xiàn)an Zitian，Cheng Ping，et al.Microstructures and Properties of Al－Si－Mg－Y Alloy with Vibration－pressure Solidification in Lost form Casting［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2010，20（8）：1520－1526.

［10］ Zhao Z，F(xiàn)an Z T，Jiang W M，et al.Microstructural Evolution of Mg9AlZnY Alloy with Vibration in Lost Foam Casting During Semi－solid Isothermal Heat Treatment［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2010，20（3）：768－773.

［11］ Li J Q，F(xiàn)an Z T，Dong X P，et al.Microstructure and Mechanical Properties of Lost Foam Casting AZ91DAlloy Produced with Mechanical Vibration［J］.Advanced Materials Research，201，213：5－8.

［12］ 周繼揚，Schmitz W，Engler S.球墨外圍奧氏體殼的形成過程與對石墨畸變的影響［J］.金屬學(xué)報，1989，25（1）：37－41.Zhou Jiyang，Schmitz W，Engler S.Formation of Austenite Shell Around Apheroidal Graphite and Its Effect on Deterioration of Graphite［J］.Acta Metallurgica Sinica，1989，25（1）：37－41.

［13］ Jiang W M，F(xiàn)an Z T，Liu D J，et al.Correlation of Microstructure with Mechanical Properties and Fracture Behavior of A356－T6Aluminum Alloy Fabricated by Expendable Pattern Shell Casting with Vacuum and Low－pressure，Gravity Casting and Lost Foam Casting［J］.Materials Science ＆Engineering A，2013，560：396－403.

［14］ 徐錦鋒，翟秋亞，袁森，等.過共晶球l鐵凝固過程中奧氏體的生長方式與形貌特征［J］.金屬學(xué)報，2003，39（2）：136－139.Xu Jinfeng，Zhai Qiuya，Yuan Sen，et al.Morphology Characteristic and Growing Manner of Austenite in Hupereutectic Ductile Iron During Solidification Process［J］.Acta Metallurgica Sinica，2003，39（2）：136－139.

［15］ 翟秋亞，徐錦鋒，袁森.過共晶球墨鑄鐵中石墨球周圍奧氏體殼的形成機制［J］.鑄造，2001，50（1）：18－22.Zhai Qiuya，Xu Jinfeng，Yuan Sen.Formation Mechanism of the Austenite Shell Around Nodular Graphite in the Hypereutectic Dodular Iron［J］.Foundry，2001，50（1）：18－22.