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    山東工將機械科技股份有限公司
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    鑄鐵件生產(chǎn)中值得關(guān)注的一項新工藝
    發(fā)布時(shí)間:2017-01-6
    鑄鐵是歷史悠久的鑄造合金。人類(lèi)掌握灰鑄鐵件的生產(chǎn)技術(shù),就是文明發(fā)展過(guò)程中“鐵器時(shí)代”的開(kāi)始,迄今已將近三千年了。正是由于灰鑄鐵件生產(chǎn)技術(shù)的應用和發(fā)展,才出現了蒸汽機和多種產(chǎn)業(yè)機械,從而推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)革命。特別應該提到的是:世界上最早掌握鑄鐵技術(shù)的是我們中國人,西方進(jìn)入鐵器時(shí)代大約比我們晚兩千年左右,是在元代進(jìn)軍歐洲時(shí),由我國的隨軍工匠傳授給他們的。
      球墨鑄鐵于上世紀四十年代問(wèn)世,由于其具有多種優(yōu)良的性能,近幾十年來(lái)生產(chǎn)技術(shù)和應用范圍都發(fā)展很快。
      上世紀五十年代后期,蠕墨鑄鐵問(wèn)世,其性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間,特別適用于一些經(jīng)受熱循環(huán)載荷的鑄件,如內燃機排氣管、柴油機缸體、缸蓋、鋼錠模和玻璃模具等。近年來(lái),其應用日益受到廣泛的關(guān)注。
      當前,隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,各種高性能的鑄造合金不斷開(kāi)發(fā)和推廣應用,尤其是各種輕合金鑄件的應用發(fā)展很快,但是,由于組織中含石墨的鑄鐵具有多種優(yōu)越的性能,在當前的技術(shù)條件下,仍然是用量最大、最重要的鑄造合金。
      就每年公布鑄件產(chǎn)量的各國而言,每年世界鑄件總產(chǎn)量中,灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件的產(chǎn)量都占鑄件總產(chǎn)量的70%以上。按2013年的統計,各主要工業(yè)國和鑄件生產(chǎn)大國中,俄羅斯、德國、法國、印度、日本和中國,灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件的產(chǎn)量都占鑄件總產(chǎn)量的70%以上,只有美國(65.4%)和英國(64.1%)略低于70%。
      這里所談到的、與控制冷卻工藝相關(guān)的,都是組織中含游離石墨的各種鑄鐵,包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵,不涉及組織中不含游離石墨的其他多種鑄鐵。為方便起見(jiàn),這里簡(jiǎn)稱(chēng)為“石墨鑄鐵”,其含義就是組織中含游離石墨的鑄鐵。
      石墨鑄鐵的歷史悠久、應用的范圍寬廣、用量又非常之大,這當然要歸功于各國鑄造業(yè)界長(cháng)期以來(lái)持續不斷地進(jìn)行了大量研究工作,但是,盡管經(jīng)歷了近三千年的應用和發(fā)展,迄今為止,我們對它的認識仍然是非常淺薄的,其潛在的功能遠沒(méi)有充分發(fā)揮,研究、開(kāi)發(fā)的空間仍然非常廣闊。
      石墨鑄鐵件凝固以后的冷卻條件,對材質(zhì)的性能和鑄件的質(zhì)量都有重要的影響,但是,在這方面,此前是很難控制的。
      近年來(lái),檢測方法、模擬技術(shù)和監控手段等方面發(fā)展迅猛,其應用日益廣泛,在此基礎上,一些工業(yè)國家開(kāi)始意識到,對于石墨鑄鐵,如果:先按按其成分和對材質(zhì)要求繪出相應的冷卻曲線(xiàn),連續冷卻變態(tài)曲線(xiàn)(CCT曲線(xiàn))或等溫變態(tài)曲線(xiàn)(TTT曲線(xiàn));再根據鑄件凝固后的冷卻條件,實(shí)際測定冷卻過(guò)程中各部位溫度的變化;然后,采用可控的冷卻方式,使鑄件各部位按設定的冷卻速率冷卻。處理得當,就可以得到以下一些令人矚目的效果:
    ◇ 可以使鑄件冷卻過(guò)程中各部位的溫差很小,這樣,結構復雜、壁厚差別較大的鑄件也不需要消除內應力的退火;
    ◇ 生產(chǎn)灰鑄鐵件,不必加入Cu、Sn之類(lèi)的合金元素,即可使基體組織全部為珠光體,并提高其強度;
    ◇ 生產(chǎn)球墨鑄鐵件,無(wú)須采用后續熱處理即可使其基體組織符合要求;
    ◇ 生產(chǎn)ADI鑄件,不必進(jìn)行等溫淬火就可得到奧鐵體(ausferrite)基體組織。
      實(shí)施這項工藝,涉及的問(wèn)題很多,過(guò)程也相當復雜,但卻有節能、減排、省資源和提高工效等多方面的優(yōu)點(diǎn),因此,提出后不久就受到了廣泛的關(guān)注,目前,我們暫稱(chēng)之為“控制冷卻(engineered cooling)工藝”。
      上世紀八十年代,美國Janowak, J. F. 和Gundlach, R. B. 就對ADI鑄件的熱處理進(jìn)行了有創(chuàng )意的研究,探討在鑄造廠(chǎng)用控制冷卻的方法替代等溫淬火的可行性。當時(shí)還沒(méi)有“engineered cooling”這一新詞,他們用的是“Controlled Cooling”。
      幾年前,日本洋馬鑄造技術(shù)公司(ャンマ-キャステクノ株式會(huì )社)將這項工藝用于生產(chǎn)灰鑄鐵大型柴油機缸體鑄件[1],取得了縮短生產(chǎn)周期、提高材質(zhì)強度和免除鑄件消除內應力的退火等多方面的效益,獲得了日本專(zhuān)利(專(zhuān)利號5416515)。
      不久后,美國鑄造協(xié)會(huì )(AFS)與Missouri科技大學(xué)合作開(kāi)展了一項研究工作,課題是“采用控制冷卻工藝生產(chǎn)高強度鑄鐵件(High Strength Cast Iron Castings Produced by Engineered Colling)”。這項研究工作由美國鑄造協(xié)會(huì )、Missouri科技大學(xué)、Elkem公司、kohler公司、Dotson鑄鐵公司、Selee公司等單位提供資金支持。研究工作的第一階段是用控制冷卻工藝替代等溫淬火,在鑄態(tài)下制得基體組織為奧鐵體(ausferrite)的球墨鑄鐵。目前,研究工作的第一階段已經(jīng)完成,雖然仍然存在一些問(wèn)題,實(shí)際用于生產(chǎn)的工藝仍有待進(jìn)一步完善,但已確認了這項工藝的可行性[2],球墨鑄鐵鑄態(tài)下的抗拉強度從原來(lái)的550~600MPa,提高到1,000~1,050MPa。
      最近,在美國Ohio州立大學(xué)和Alabama大學(xué)任職的Stefanescu D. M.與西班牙鑄造行業(yè)的幾位同仁合作,也進(jìn)行了有關(guān)鑄態(tài)奧鐵體球墨鑄鐵方面的研究工作[3]。為了更好地應對鑄件壁厚對冷卻條件的影響,提出了按鑄件的模數調整落砂溫度和等溫保溫溫度的計算式。
    一、鑄鐵組織的一些特點(diǎn)
      鑄鐵是以鐵碳合金為基礎的多元合金。在考量鑄鐵件的組織時(shí),為簡(jiǎn)便起見(jiàn),通常都是參照鐵-碳合金二元相圖,必要時(shí),再在此基礎上考慮某些主要合金元素的影響。
      鐵-碳合金二元相圖有二重性,即:包含有穩定系和亞穩定系兩種。
      如果按穩定系凝固、冷卻,鑄鐵的組織中只含有石墨和鐵素體;如果按亞穩定系凝固、冷卻,則組織中只含有滲碳體(Fe3C)和鐵素體,以及由滲碳體和鐵素體構成的其他多種組織。
      實(shí)際生產(chǎn)中,只有生產(chǎn)完全鐵素體球墨鑄鐵件時(shí),其凝固、冷卻的全過(guò)程是按穩定系進(jìn)行的。大多數石墨鑄鐵中,都是穩定系組織和亞穩定系組織共存的。
      石墨鑄鐵鑄態(tài)組織的形成可分為兩個(gè)階段:第一階段,鑄鐵共晶轉變前析出初生相,再加以共晶轉變形成的相,構成鑄鐵的初始組織;第二階段,鑄鐵凝固后冷卻的過(guò)程中,共晶奧氏體中溶解的碳量隨溫度的下降而降低,脫溶的碳,向附近的石墨擴散,繼之以隨后的共析轉變,形成最終組織。
    1、初始組織
      石墨鑄鐵凝固后形成的初始組織包括:石墨的形態(tài)、數量、尺寸和分布狀況,初生奧氏體、共晶奧氏體的數量和形態(tài),共晶團的數量,以及晶界處的最終凝固相。
      石墨鑄鐵是歷史悠久的鑄造合金,長(cháng)期以來(lái),鑄造行業(yè)的前輩們一直都非常關(guān)注其冶金技術(shù)的創(chuàng )新和發(fā)展,各工業(yè)國家在這方面探索、研究工作從來(lái)就沒(méi)有間斷過(guò)。正是因為如此,才使我們對石墨鑄鐵的認知能夠不斷深化;作為最重要的鑄造合金,才能夠與時(shí)俱進(jìn)、歷久彌新。目前,對于其初始組織,我們已經(jīng)掌握很多有效的控制的工藝,主要如:
    ◇ 優(yōu)化碳、硅含量和碳當量,控制初始組織中奧氏體和石墨的含量;
    ◇ 在研究高溫過(guò)熱和高溫靜置對石墨化影響的基礎上,逐步實(shí)現對熔煉溫度、靜置時(shí)間和澆注溫度的優(yōu)化;
    ◇ 采用并逐步優(yōu)化預處理、孕育處理、和控制硫/錳含量等工藝,促進(jìn)石墨的生核;
    ◇ 開(kāi)發(fā)了多種控制石墨形態(tài)的工藝技術(shù),如球化工藝、蠕化工藝和形成珊瑚狀石墨的技術(shù);
    ◇ 近年來(lái),注意到灰鑄鐵中奧氏體枝晶對鑄鐵性能的影響,研究了多種促進(jìn)奧氏體生核的工藝,由增加奧氏體枝晶的含量提高灰鑄鐵的強度;
    ◇ 通過(guò)對最終凝固相的深入研究,進(jìn)一步優(yōu)化鑄鐵成分的控制;
    ◇ 采用過(guò)濾技術(shù),提高鐵液的清潔度;
    ◇ 優(yōu)化澆注系統的設計,力求使鐵液以平流的方式充型,避免因澆注過(guò)程中卷入折疊的氧化膜(bi-films)而造成各種鑄造缺陷。
    2、共晶轉變后冷卻過(guò)程中和共析轉變形成的最終組織
      石墨鑄鐵中碳、硅含量都相當高,而且工藝方面又采取了多種促進(jìn)石墨化的措施,共晶轉變都是按穩定系進(jìn)行的,轉變過(guò)程中不析出滲碳體。但是,在共晶轉變以后的冷卻過(guò)程和共析轉變的過(guò)程中,組織變化的情況卻是非常復雜的。
      石墨鑄鐵中的碳含量很高,因而,共晶轉變析出的奧氏體中碳含量很高,在此后的冷卻過(guò)程中碳在奧氏體中的溶解度逐步降低。共析轉變以前,鑄鐵的溫度還比較高,原子的擴散比較方便,而且,脫溶的碳量也不多,在組織中只有石墨、沒(méi)有滲碳體的條件下,脫溶的碳不可能重新形核、析出,只能向附近的石墨擴散。影響最終組織主要是共析轉變。
      石墨鑄鐵共析轉變時(shí)的溫度已相當低,原子的擴散緩慢,轉變速度遠低于共晶轉變,轉變時(shí)的過(guò)冷度很大。在這種條件下,脫溶碳的擴散受到制約,來(lái)不及轉移到共晶轉變析出的石墨上,就只能按亞穩定系轉變、形成滲碳體了。因此,除完全鐵素體組織的球墨鑄鐵外,各種石墨鑄鐵的最終組織中,實(shí)際上都是穩定系和亞穩定系并存的,既有石墨和鐵素體,也有滲碳體。組織中鐵素體、滲碳體的份量,以及二者混配的狀態(tài)是決定鑄鐵力學(xué)性能的主要因素。此外,在特殊的冷卻條件下,還可以形成奧鐵體組織。
      石墨鑄鐵最終組織中鐵素體、滲碳體的份量,及其混配狀態(tài),取決于鑄鐵的化學(xué)成分和鑄件各部位的實(shí)際冷卻速率,因為這兩項因素都對碳在奧氏體中的擴散速度有很大的影響。
      此前,由于檢測手段和控制技術(shù)方面的制約,我們既難以切實(shí)了解鑄件冷卻過(guò)程中各部位溫度變化的情形和各部位的冷卻速率,更沒(méi)有辦法控制鑄件各部位的冷卻速率、從而使鑄件本體材質(zhì)符合預期的要求。因此,關(guān)于鑄件凝固后冷卻條件對其性能的影響,我們實(shí)際上無(wú)能為力,只能聽(tīng)其自然。對鑄鐵最終組織的控制,只能借助于加入各種合金元素、控制其化學(xué)成分。
      但是,只靠加入合金元素、調整成分控制鑄鐵的最終組織有一些重大的局限性,實(shí)屬無(wú)奈之舉。
      首先是提高生產(chǎn)成本,耗用珍貴的資源;
      其次是無(wú)助于消除鑄件冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的內應力;
      最重要的是,加入合金元素提高鑄鐵鑄態(tài)下的強度是有限的,欲使其具有更高的強度,往往還需要增加后續的熱處理工序,不僅耗能、費力,提高生產(chǎn)成本,而且延長(cháng)生產(chǎn)周期。
      “控制冷卻”的概念,就是針對這種實(shí)際問(wèn)題逐步推出的。
    二、日本洋馬公司的用例
      日本洋馬公司松江事業(yè)部的主要產(chǎn)品是大型柴油機的缸體、缸蓋,包括鑄造和機械加工全過(guò)程,鑄件材質(zhì)為灰鑄鐵,主要產(chǎn)品缸體的單件重3~8t不等。
      按原來(lái)的生產(chǎn)工藝,從澆注后到脫箱(使砂型自砂箱中脫出),大約需要冷卻40~85h。
      由于裝缸套部位與曲軸箱殼部位的壁厚差別較大,而且,薄壁的曲軸箱殼部位又接近于鑄型的外表,冷卻快,因此,冷卻過(guò)程中,兩部位之間的溫度差大,落砂后的鑄件中存在較大的內應力,必須進(jìn)行消除內應力的退火處理。
      完成這兩項工序所需的時(shí)間,約占產(chǎn)品生產(chǎn)周期的40%。
      生產(chǎn)周期長(cháng)還導致在制品數量大、備用砂箱的數量多、占用的生產(chǎn)面積大等諸多問(wèn)題。
      為了縮短生產(chǎn)周期、減少在制品數量和降低生產(chǎn)成本,公司決定,以縮短自澆注到脫箱的時(shí)間、免去消除內應力的退火處理為目標,開(kāi)展一項工藝試驗研究工作。
    1、工藝改進(jìn)的方案
      為了縮短自澆注到脫箱的時(shí)間,必須在鑄件凝固后加強冷卻,提高其總體冷卻速率。
      為了免去消除內應力的退火處理,必須在鑄件凝固后冷卻過(guò)程中保持各部位的溫度均勻。
      通常,鑄件在鑄型內冷卻,都是由表及里的。鑄型外表部位的溫度低、鑄型內部的溫度高,這是大家所熟知的,但是,差別究竟有多大?由于影響的因素太多,就誰(shuí)也說(shuō)不準了。要對其有切實(shí)的了解,必須就目標鑄件和實(shí)際工藝條件進(jìn)行測定。
      洋馬公司就重7t的缸體所作的測定表明:澆注后60h,接近鑄型外表的曲軸箱殼部位溫度已降到70℃;處于鑄型中部的、裝缸套部位下端的厚壁部位,溫度仍保持在440℃左右。其間的溫差相當大。
    很明顯,自鑄型的外表加強冷卻是不可行的。首先,采用這種方式會(huì )導致鑄件內、外部的溫差增大,不但不能消除內應力,而且會(huì )使情況進(jìn)一步惡化;再就是鑄型外表的溫度低,自外表加強冷卻的效率很低。因此,加強冷卻只能從內部著(zhù)手。
      在冷卻介質(zhì)的選擇方面,也有一番考慮。往芯子內部吹冷空氣,雖然很安全,但冷卻效率低,需要吹入大量冷空氣。
      水的蒸發(fā)潛熱很大,為2260 kJ/kg。利用水的蒸發(fā)降溫,效果很好,往芯子內部注入少量的水,就可以吸收大量的熱量,獲得很好的降溫效果。
      基于上述考慮,確定了自芯子內部注水、加強冷卻的方案。為了確保生產(chǎn)安全,必須在鑄件完全凝固以后注水。
    2、冷卻方法
      大型柴油機缸體的內腔,由多個(gè)芯子組合形成。每一缸筒部位都有一個(gè)裝缸套部位與曲軸箱殼部位聯(lián)成一體的芯子。每個(gè)芯子中都裝有管壁鉆有很多小孔的φ100鋼管,聯(lián)通到鑄型的外面,兼有芯骨和排氣通道的作用。
      最終采用的冷卻方法是:在每一芯子的排氣鋼管中裝入軟管。鑄件凝固后,通過(guò)軟管向芯子的各部位注水。蒸發(fā)的水蒸汽也由φ100鋼管排出。
      根據各部位的溫度,實(shí)時(shí)調定每一軟管注水的流量,以確保鑄件各部位的溫度均勻。每一軟管管路中都裝有流量計和控制閥,由可編程序控制器自動(dòng)控制。
    3、效果
      洋馬公司實(shí)施初步的控制冷卻工藝后,取得了很好的效果,如:
    ◇ 鑄件凝固后的平均冷卻速率,從原來(lái)的5.7℃/h提高到16℃/h;
    ◇ 鑄件冷卻到500℃所需的時(shí)間,由原來(lái)的46h縮短到18h;
    ◇ 由于鑄件冷卻過(guò)程中各部位的溫差小,鑄件內的殘留應力很小,可免去消除內應力的退火處理。采用控制冷卻工藝后,鑄態(tài)鑄件各部位殘留應力測定值的平均值,還略低于原來(lái)經(jīng)消除內應力退火的鑄件;
    ◇ 鑄態(tài)鑄件各部位的本體強度均高于原來(lái)經(jīng)消除內應力退火的鑄件,各部位抗拉強度的平均值大約提高15MPa;
    ◇ 在顯微組織方面,石墨的形態(tài)、數量和尺寸都與原來(lái)經(jīng)消除內應力退火的鑄件相同,但基體組織中鐵素體的含量更少,因而,強度和硬度都較高。
    三、美國鑄造協(xié)會(huì )(AFS)與Missouri科技大學(xué)合作進(jìn)行的研究工作
      關(guān)于這項研究課題的建立,前面已經(jīng)作了簡(jiǎn)短的說(shuō)明,這里,扼要介紹一下這項研究工作第一階段的一些情況。
      這項研究工作,是針對各種石墨鑄鐵而建立的,可是,其實(shí)施的順序卻不因襲先易后難、循序漸進(jìn)的傳統慣例,第一階段工作的目標就是攻堅克難,針對等溫淬火球墨鑄鐵(ADI),研究用‘控制冷卻’替代‘等溫淬火’的可行性。
      大家都知道,等溫淬火球墨鑄鐵具有多種優(yōu)異的性能,而制約其廣泛應用的主要因素就是‘等溫淬火’的工藝過(guò)程復雜、熱處理設備價(jià)格昂貴、能耗大。如果能免除‘等溫淬火’,則其對鑄造行業(yè)的影響將是不可忽視的。
      順便要說(shuō)明的是:如果免除了‘等溫淬火’,就不能再用“等溫淬火球墨鑄鐵(ADI)”這一名詞了,因此,在這里,都按其基體組織稱(chēng)之為“奧鐵體球墨鑄鐵(ausferritic ductile iron)?!?
    1、用控制冷卻的方式進(jìn)行試驗性的模擬
      為了模擬各種控制冷卻方式的作用,研制了一套熱模擬裝置??梢詫⒃嚇蛹訜岬揭蟮臏囟?,隨之使其按要求的冷卻速率冷卻。然后,根據試樣的顯微組織,就可以求得該材質(zhì)的連續冷卻曲線(xiàn)(CCT曲線(xiàn))和等溫轉變曲線(xiàn)(TTT曲線(xiàn))。
      加熱設施  用計算機控制的高功率直流電源加熱,同時(shí),用焊在熱區的熱電偶和高精度紅外線(xiàn)光學(xué)高溫計測定溫度。
      冷卻設施  用比例電磁閥控制、吹射壓縮空氣。
      試樣  用化學(xué)成分與目標材質(zhì)相近的、實(shí)際生產(chǎn)中的球墨鑄鐵(C 3.77%,Si 2.33%,Mn 0.47%,Cu 0.39%)制造,先鑄造150×200×25㎜的板狀鑄件,再用以截取、加工成50×6.2×3.5㎜的試樣。
      由于試樣的熱慣性小,用上述加熱、冷卻設施,可以做到:以80 ℃/s以下的任何加熱速率加熱;以80 ℃/s以下的任何冷卻速率冷卻。
      連續冷卻的工藝是,將試樣加熱到920℃,再以不同的冷卻速率冷卻到室溫,在此條件下:
      冷卻速率在2 ℃/s以下,提高冷卻速率會(huì )導致珠光體的數量增多、硬度增高;
      冷卻速率在2~10 ℃/s之間,提高冷卻速率,就會(huì )因形成馬氏體而致硬度顯著(zhù)提高。試驗的結果表明,太高的冷卻速率會(huì )導致不希望其產(chǎn)生的馬氏體轉變。
      等溫處理工藝是,將試樣加熱到920℃,再以不同的冷卻速率冷卻到380℃,在此溫度保溫10~30min,然后快速冷卻到室溫。在380℃保溫25min,形成奧鐵體的過(guò)程就可以完成。自920℃冷卻時(shí)的情況是:
      只要冷卻速率在2 ℃/s以上,就會(huì )在枝晶間形成部分奧鐵體;冷卻速率為5 ℃/s,形成奧鐵體和細小珠光體的混合組織;
      冷卻速率為10 ℃/s,基體組織為奧鐵體,但石墨球周?chē)芯植恐楣怏w小團。
      還要指出的是,如果延長(cháng)在920℃下保溫的時(shí)間,會(huì )使奧氏體中的碳含量飽和,而且分布均勻,就有提高過(guò)冷奧氏體穩定性的作用,可以使鑄鐵組織中奧鐵體的含量增多。
    2、控制冷卻方案的設定
      通過(guò)試驗,并采用流體動(dòng)態(tài)模擬方法,設定鑄件控制冷卻的方案。
      這一階段的試驗中,不用小型試樣,而用接近實(shí)際鑄件的150×200×25㎜的板狀鑄件。試驗中要考慮3種變數:一是冷卻速率;二是鑄件壁中的溫度梯度;三是表面溫度。
      根據前一階段試驗的結果,目標冷卻速率定在2 ℃/s以上。
      為了使鑄件各部位的組織一致,且避免因溫差而導致的熱應力,應盡可能地使鑄件中的溫度梯度減至最小。
      為避免產(chǎn)生馬氏體組織,冷卻過(guò)程中,鑄件表面的溫度應保持在馬氏體開(kāi)始轉變溫度(Ms)以上。
      試驗中,不同冷卻方法對150×200×25㎜板狀鑄件各部位溫度狀況的影響,用流體動(dòng)態(tài)模擬(FLUENT軟件)進(jìn)行預測。預測的部位包括:鑄件的心部,鑄件大表面的中部,以及板狀鑄件的邊角部。
      試驗的結果表明:對25㎜厚的鑄件而言,在空氣中冷卻、吹空氣冷卻,都不能達到使鑄件具有奧鐵體組織的冷卻速率;大量噴水冷卻可以有很高的冷卻速率,但鑄件內的溫度梯度很大,而且鑄件表面溫度很快就降到Ms溫度以下。
      為了使冷卻條件符合要求,設計了一種計算機輔助的控制冷卻方法。采用既可以噴射空氣、也可以噴水的廣角噴霧器,其冷卻強度是可控的。模擬中,由表面溫度的反饋控制冷卻。用這種模擬方法,可得到要求的冷卻速率,鑄件內的溫度梯度很小,而且表面溫度可以不低于要求的值。
    3、控制冷卻方案的確認
      確認工作也是在試驗室進(jìn)行的。用感應電爐熔煉鑄鐵100磅,經(jīng)球化和孕育處理后,主要成分是:C 3.65%,Si 2.36%,Mn 0.55%,Cu 0.55%。
      試驗所用的樣件,仍然是150×200×25㎜板狀鑄件,立澆,上方置頂冒口。用自硬砂造型,每型1件,共澆注4件。澆注時(shí),直接自頂冒口注入鐵液。
      其中2件,澆注后按常規作業(yè)方式冷卻,供參照用。
      另外2件,鑄件凝固后及早落砂(按:落砂溫度的上限是固相線(xiàn)以下50℃,下限是共析轉變溫度以上50℃),然后立即將其置冷卻裝置中按控制冷卻工藝冷卻。
      按常規方式冷卻的鑄件,基體組織以層片狀珠光體為主,有10%~15%的鐵素體,抗拉強度550~600MPa,伸長(cháng)率8%。
      控制冷卻的鑄件,基體組織為奧鐵體和細小的珠光體,抗拉強度1000~1050MPa,伸長(cháng)率4%。
    4、小結
      這項研究課題第一階段工作的目的,就是要確認控制冷卻這一概念的可行性。從初步的試驗結果看來(lái),采用控制冷卻工藝,可以制得鑄態(tài)下基體組織為奧鐵體的球墨鑄鐵件,雖然組織中仍存在少量珠光體,一些問(wèn)題還有待進(jìn)一步深入研究、探討,但總體而言,這一工藝的效果是很好的。
      研究工作的第二階段,還將針對各種低合金石墨鑄鐵、不加合金的石墨鑄鐵,研究控制冷卻工藝對不同壁厚鑄件組織的影響。
      當然,將這一工藝用于實(shí)際生產(chǎn),還有很多難題有待解決,包括就每一特定的生產(chǎn)條件設計適用的的設備。如果我們通過(guò)實(shí)踐逐步增強對這一工藝的認知,存在的問(wèn)題逐一得到妥善的解決,工藝也就會(huì )隨之不斷優(yōu)化,這樣,當然會(huì )有助于鑄造行業(yè)實(shí)現可持續發(fā)展。 

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