铸 造
ＦＯＵＮＤＲＹ Ａｕｇ．２０１３
Ｖ０Ｉ．６２ ＮＯ．８
铁素体球墨铸铁凝固形貌及力学性能
董海 ．一，黄兴民 。，程乾 ，一，戴光泽 ，
（１．西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室，四川成都６１００３１；
２．西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都６１００３１）
摘要：结合铸造模拟仿真技术，研究了不同热模数铁素体球墨铸铁的凝固形貌和力学性能。结果表明：热模数较低
（Ｍｅ＝０．６５ ｃｍ）时，奥氏体枝晶以大量球团状晕圈为主，石墨分布均匀、圆整度高，韧性较好；热模数增大Ｎ２．１ ｃｍ，
离异树枝晶含量增多且晶粒粗大，石墨形态异化且珠光体含量较多，屈服强度和冲击韧性恶化。
关键词：球墨铸铁；热模数；凝固形貌
中图分类号：ＴＧ１４３．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—４９７７（２０１３）０８—０７８４—０５
Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｆｅｒｒｉｔｅ Ｄｕｃｔｉｌｅ Ｉ ｒｏｎ
ＤＯＮＧ Ｈａｉ 一，ＨＵＡＮＧ Ｘｉｎｇ－ｍｉｎ ，ＣＨＥＮＧ Ｑｉａｎ 一，ＤＡＩ Ｇｕａｎｇ—ｚｅ ＇ （１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＡｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３ １，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｃａｓｔｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｆｅｒｒｉｔｅ
ｄｕｃｔｉｌｅ ｉｒｏｎ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｈｅｒｍｏ—ｍｏｄｕｌｕｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ＰａＤｅｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏ—ｍｏｄｕｌｕｓｉｓｌｏｗ（Ｍ ０．６５ｃｍ），ｔｒｅｍｅｎｄｏｕｓｐｒｉｍａｒｙａｕｓｔｅｎｉｔｉｃｓｈｅｌｌｄｅｎｄｒｉｔｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｗｉｔｈｈｏｍｏｇｅｎｏｕｓ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｓｐｈｅｒｏｉｄｓ．ｗｈｉｃｈ ｆａｖｏｒ ｈｉｇｈ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ａｓ ｔｈｅ ｔｈｅｒｎｌｏ．ｍｏｄｕｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｏ ２．１ ｃｒｎ，ｍｏｒｅ
ｌａｒｇｅ—ｓｉｚｅ ｐｒｉｍａｒｙ ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ ｄｉｖｏｒｃｅｄ ｄｅｎｄｒｉｔｅｓ ａｐｐｅａｒ ｗｉｔｈ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｄｉｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ａｎｄ
ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ ｏｆｔｈｅ ｐｅａｒｌｉｔｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ．１ｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ ｏｆｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｕｃｔｉｌｅ ｉｒｏｎ；ｔｈｅｒｍｏ—ｍｏｄｕｌｅ；ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ
在球墨铸铁生产中，一般通过调整ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、
Ｐ、Ｓ、Ｍｇ、Ｃｕ等元素含量控制成分过冷和石墨球形核
生长，改善基体组织，获得优质的球墨铸铁件。同时，
凝固过程对球墨铸铁的组织形貌和宏观力学性能也具
有重要影响［卜。］。对形状复杂、壁厚不均的铸件，可依
据几何模数或热模数设计合理的浇注系统和工艺［４］。当
前，有限元仿真技术逐渐成为研究凝固过程、优化铸
造工艺、提高铸件质量的重要手段和方法 １。本文结合
铸造模拟仿真技术，研究了不同热模数铁素体球墨铸
铁的凝固显微形貌及室温力学性能。
１ 实验设备和方法
使用５００ ｋｇ中频感应炉按配比熔炼废钢、生铁、
回炉料等生产原料至１ ５２０℃完全熔化，经球化处理和
随流孕育后浇人硅砂铸型中，浇注温度和时间分别为
１ ３５０￣Ｃ和３０ Ｓ。结合球墨铸铁实际生产情况，运用
基金项目：
收稿日期：
作者简介： 通讯作者： ＳＯＬＩＤＣａｓｔ软件计算四阶梯试块及其浇注系统的热模
数，使用耐热刚玉瓷管封装的ＷＲＰ１３０型铂铑热电偶和
ＵＳＢ．９２１ １Ａ型信号采集处理器对不同热模数处的连续冷
却曲线进行测量和记录。图１ａ和图１ｂ分别为四阶梯试
块和浇注系统三维尺寸图以及热模数分布云图，ＭＩ￣Ｍ３
为热电偶放置部位，Ａ区域因太薄未放置热电偶。表１
列出ＯＢＬＦ．ＱＳＮ ７５０电火花直读光谱仪检测的经白口化
处理球墨铸铁试块的主要化学成分，碳当量为４．３７％，
即过共晶球墨铸铁。从试块不同部位取样，打磨抛光
并经苛性碱（氢氧化钠＋氢氧化钾＋苦味酸）热显蚀同
和硝酸酒精腐蚀后，使用ＶＫ．９７１０型显微镜观测球墨
铸铁的高温组织。采用ＣＭＴ５３０５型微机控制电子万能
试验机和ＪＢＷ．３００型示波冲击试验机对铸态球墨铸铁
的室温拉伸性能和Ｖ型缺口夏比冲击性能进行测试。
２结果与分析
热模数综合考虑了铸件及浇注系统几何参数、砂
“十一五”国家科技支撑计划（Ｎｏ．２００９ＢＡＧ１２Ａ０７）；中央高校基本科研业务费专项资金（Ｎｏ．ＳＷＪＴＵ１２ＣＸ０１ １）。
２０１３一叭一ｌ５收到初稿，２０１３—０４—１２收到修订稿。
董海（１ ９８０－），男，硕士生，从事高速列车关键零部件材料研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｎｊｄ．ｄｏｎｇｈａｉ＠ｑｑ．ｃｏｍ 黄兴民，男，博士，副教授，电话：０２８．８７６０１５４０，Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｍｈｕａｎｇ＠ｈｏｍｅ．ｓｗｊｔｕ．ｅｄｕ．
ｃｎ ・７８６・ ＦＯＵＮＤＲＹ Ａｕｇ．２０１３
Ｖ０Ｉ．６２ Ｎ０．８
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图３四阶梯试块不同温度下界面换热系数
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆｆｏｕｒ－ｓｔｅｐ ｔｅｓｔ ｂｌｏｃｋ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ
奥氏体树枝晶生长时间短，共晶率相应较低，离异树
枝晶细小。而当热模数较大时，冷却速度相对缓慢，
初生奥氏体树枝晶有充足的时间生长，共晶率相应逐 图４四阶梯试块凝固时ｌ司分布云图热模数一凝固时Ｉ司曲线图
Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｏｆｆｏｕｒ—ｓｔｅｐ ｔｅｓｔ ｂｌｏｃｋ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ
ｔｈｅｒｍｏ—ｍｏｄｕ１ｕｓ
步提高，生成的离异树枝晶相对粗大。
２．２高温显微形貌和力学性能
铸态球墨铸铁样品经不同浓度苛性碱不同时间热
目２４０ 辩
茁墨１２０ 墓８０ ４Ｏ 甚ｌ（０
３０ 目 ２５ 道 ０ １５ 蔷ｌＯ
５ ０
（ａ）共晶率（ｂ）奥氏体枝晶直径（Ｃ）石墨球半径随时间变化曲线
图５不同热模数下共晶率、奥氏体枝晶和石墨球径随时间变化曲线
Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｒａｔｅ．ａｕｓｔｅｎｉｔｅ ｄｅｎｄｒｉｔｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｒａｄｉｕｓ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔ ｔｈｅｒｍｏ—ｍｏｄｕｌｕｓ ａｓ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆｃｏｏｌｉｎｇ ｔｉｍｅ
显蚀后，可以呈现不同凝固时期高温显微形貌［８］。图６
为薄壁（尬＝０．６５ ｃｍ）与厚壁处（ ２．１ ｃｍ）球墨铸
铁不同浓度苛性碱腐蚀显微形貌，图中灰色区域为奥
氏体，白色为后凝固区域（ＬＴＦ）。
图６ａ、６ｃ和６ｅ为薄壁部位（Ｍ￣ｏ＝０．６５ ｃｍ）不同凝
固阶段显微形貌。在凝固初期，薄壁处过冷度高，高
温组织以均匀分布的晕圈奥氏体及其包裹的石墨微团
为主，离异树枝晶含量较低。晕圈奥氏体生长、相互
接触直至最终凝固；熔体中碳原子经过奥氏体晕圈向
内扩散，石墨生长速度缓慢，形态较圆整且分布均匀。
图６ｂ、６ｄ和６伪厚壁部位（ ＝２．１ ｃｍ）不同凝固阶段
显微形貌。凝固初期，明显存在着长而粗大的奥氏体 树枝晶，随着凝固过程进行，粗大的离异树枝晶奥氏
体和晕圈奥氏体不断长大并接触，离异树枝晶中的石
墨明显变大并按枝晶形状呈类线性排列。
图７为不同热模数奥氏体树枝晶和晕圈奥氏体含
量。结合图６可见，热模数为０．６５ ｃｍ时，高温奥氏体
组织中的晕圈和离异树枝晶含量分别为８１％和３％，离
异树枝晶形态细小；当热模数增加到２．１ ｃｍ时，晕圈
枝晶和离异树枝晶含量分别降低和增加到６４％和２４％，
离异枝晶长而粗大，且无明显的方向性。随着热模数
增加，宏观形貌上逐渐由糊状向海绵状过渡。
图８为薄壁和厚壁铸态球墨铸铁的显微金相图。如
图８ａ所示，热模数较小的薄壁处石墨球均匀且圆整度 ・７８８・ ＦＯＵＮＤＲＹ Ａｕｇ．２０１３
ＶＯＩ．６２ ＮＯ．８
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．６ ０．８ １．０ １．２ １．４ １．６ １．８ ２．０ ２．２ 热模数／ｃｍ
（ａ）珠光体含量（ｂ）石墨球直径（Ｃ）球化率（ｄ）石墨数量
图９不同热模数的铸态球墨铸铁显微金相参数
Ｆｉｇ．９ Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆｔｈｅ ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅｒｍｏ－ｍｏｄｕｌｕｓ
ｏｆａｓ ｃａｓｔ ｄｕｃｔｉｌｅ ｉｒｏｎ
热模数／ｃｍ
（ａ）抗拉强度（ｂ）屈服强度（Ｃ）伸长率（ｄ）冲击吸收功
图１０不同热模数铸态球墨铸铁室温力学性能
Ｆｉｇ．１０ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆｄｕｃｔｉｌｅ ｉｒｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅｒｍｏ－ｍｏｄｕｌｕｓ
ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
（ ｃ＝２．１ ｃｍ），断后伸长率从２０％（ ＝０．６５～０．９ ｃｍ）
显著降低到１５％以下（Ｍｃ＝１．５～２．１ ｃｍ），室温冲击吸
收功从１５．６ Ｊ（ ｃ＝０．６５ ｃｍ）下降：￣ｌＪ９．７ Ｊ（ ｃ＝２．０ ｃｍ）。
当热模数较小时，大量均匀分布的晕圈奥氏体一
方面削弱了元素偏析作用；另一方面，在晕圈奥氏体
中，析出并长大的石墨不断挤压初生奥氏体晶粒，当
晶团相互接触并推挤时，膨胀应力受限于刚性型壁而
不断累积，最终导致奥氏体晶粒产生局部塑性变形，
引起高密度的位错缠结和基体的强化［１１］。当热模数较
大时，奥氏体枝晶相对粗大，石墨微团在枝晶间沿热
流方向类似呈线形排列；并形成富含氧化物、硫酸镁
和硫化镁等众多杂质的铁素体带；同时，锰、铜等正
偏析元素不断富集在枝晶间的大面积ＬＴＦ区，形成枝
晶偏析，隔断了组织连续性［１２１，导致强度下降。如前 所述，珠光体含量随着热模数上升而增大；由于珠光
体和夹杂物硬而脆，且具有不规则尖角形状，在承受
冲击载荷时容易产生应力集中，形成裂纹源，从而导
致室温冲击韧性的降低。
３结论
（１）根据凝固冷却过程中实测温度曲线，通过迭
代拟合间接反求不同温度下铸件／硅砂界面换热系数，
有助于提高凝固过程模拟精度。
（２）铁素体球铁凝固形貌与热模数相关度较高；
热模数较小时（Ｍ￣－－０．６５ ｃｍ）呈现出典型的糊状凝固
特征，奥氏体以球团状晕圈为主，离异树枝晶含量低
且晶粒细小；当热模数增大到２．１ ｃｍ时，凝固方式转
变为海绵状凝固，离异树枝晶含量增多且晶粒粗大。
（３）随着热模数增大，石墨球数量减少，球径增
大且形态变差，均匀度和圆整度降低；最后凝固区中
离异枝晶间元素偏析增强，铸态球铁基体中珠光体含
量增多，室温屈服强度、断后伸长率和冲击韧性均降
低。
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（编辑：刘冬梅，ｌｄｍ＠ｆｏｕｎｄｒｙｗｏｒｌｄ．ｃｏｍ） 骥辑 嘿瞪哩 斟 晕
是