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厚大断面球铁铸件以其性能和成本上的优势,在核电、风电等行业具有广阔的应用前景。但迄今为止,厚大断面球铁铸件中形成碎块状石墨仍是目前国内外铸造领域研究与生产的难题。本文采用模拟实验与生产性验证相结合的方法,研究了厚大断面球铁中石墨析出行为及碎块状石墨的形成机理,分析了微量元素的作用机制。采用等温切面方法物理模拟了百吨级核乏燃料球铁储运容器铸件的凝固过程,设计了强制冷却系统,并对模拟试块的微观组织及力学性能进行了综合分析与评价。利用自行设计的液淬保温炉,模拟了厚大断面球铁的凝固过程,研究了石墨的析出规律,并分析了其影响因素。结果表明,当保温时间小于240min时,石墨呈球状析出。保温时间达到240min后,熔体中析出了碎块状石墨。继续延长保温时间,在碎块状石墨共晶团周围有蠕虫状和片状石墨形成。实验中发现碎块状石墨从铁液中直接析出。利用高分辨透射电镜(HRTEM)揭示了碎块状石墨的微观结构与球状石墨相同,具有沿[0001]方向生长的特征。凝固前期,熔体中存在着浓度起伏和温度起伏,异质核心数量多,石墨形核所需的过冷度小,且适量的球化元素保证了石墨以球状析出。凝固时间延长时虽然球化能力有所降低,但仍能维持石墨按照球状方式进行长大的特征。同时,熔体中浓度起伏和温度起伏作用逐渐降低,石墨形核所需的过冷度变大,不利于石墨以球状长大。且杂质元素(如S等)的干扰作用增强,促使石墨分枝,最终使石墨以碎块状析出。系统研究了RE、Sb对球铁中石墨形态和球数的影响规律及作用机理。Ce含量在0.005%～0.02%期间变化,石墨球数在0.014%Ce时达到极大值,平均球径最小,且有效抑制了非球状石墨的形成。采用阶梯试样研究冷速和Sb的加入综合作用对球铁中碎块状石墨形成的影响表明,对于相同壁厚的试样,Sb的加入细化了石墨球,增加了石墨球数。壁厚为90mm时,不含Sb的球铁组织中会形成碎块状石墨,而添加Sb则抑制其形成。复合添加适量的RE和Sb可进一步提高石墨球数,抑制碎块状石墨的形成。结果均表明提高石墨球数可以有效抑制碎块状石墨的形成。利用固体与分子经验电子理论(EET)对微量元素Sb在球铁中的作用进行了分析,Sb溶入奥氏体中,使其FC′D值从2.11874增加到5.22889,即C原子在铁液中的扩散阻力增加。Sb吸附于石墨-铁水界面上,延缓C原子向石墨球的扩散,降低石墨球的生长速度。同时,Sb的加入可以提高石墨形核率,两方面共同作用的结果使Sb的加入提高了球状石墨的数量,从而抑制了碎块状石墨的形成。EET计算还表明,Sb的加入提高了S'值,使Fe3C容易析出,因此促进了组织中珠光体的形成。此外,FC′D值的增加,也使共析转变过程更容易形成珠光体,故应控制Sb的加入量。基于上述研究结果,采用等温切面方法物理模拟了百吨级核乏燃料球铁储运容器铸件的凝固过程。在扇形模拟试块的非自然表面采用绝热保温,使其沿壁厚每一剖面都处于等温面状态,其沿壁厚同一剖面凝固时间一致,组织无明显变化。数值模拟计算结果表明容器铸件的冷却曲线形状与模拟试块相应部位的实测值相似,凝固时间相近。设计了冷铁与通水相结合的强制冷却系统,利用数值模拟优化了强制冷却工艺,使模拟试块的凝固时间小于240min。模拟试块中石墨全部为球状,抑制了碎块状石墨的形成,基体组织中几乎全部为铁素体。扇形试块最后凝固部位-40℃时的抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击韧性分别为418Mpa、293MPa、9%和9.5J/cm2。扇形切块物理模拟所采用的强制冷却工艺、熔体处理工艺和铸造工艺方案可作为百吨级核乏燃料球铁容器铸件的铸造工艺基础球墨铸铁作为一种廉价的结构材料,因其良好的耐磨性、减震性、低缺口敏感性以及优良的切削加工性能和铸造性能,已广泛用于汽车、农业机械、机床、冶金机械等多个领域,具有重要的应用价值和广阔的应用前景。目前,几乎所有的球墨铸铁件都是直接铸造成型或经机加工后使用,为了达到强度的特殊要求,常规的处理方法是在球墨铸铁冶炼过程中添加一些合金元素或者增加后续热处理工艺。但是,前者大大增加了球墨铸铁的生产成本,后者耗时、耗能,且对环境污染严重。而塑性加工由于具有较高的生产效率和材料利用率,并使得铸坯结构致密、粗晶破碎细化和均匀,从而显著提高机械性能。因此,通过塑性加工使球墨铸铁获得近(净)终成形是提高球墨铸铁性能,扩展其应用领域的有效途径。本文以工业中最常用的QT450-10球墨铸铁为实验材料,利用物理模拟实验系统地研究了球墨铸铁的塑性变形行为,分析了高温压缩过程中金属基体以及第二相石墨颗粒的变化规律,进而探讨不同变形参数下微观组织的演变机制,利用优化的最佳变形温度确定了QT450-10高温锻造和高温轧制工艺,并尝试了锻造余热淬火在球墨铸铁磨球上的应用。主要研究结果如下:利用物理模拟实验系统地研究了不同变形参数下QT450-10的高温塑性变形行为。通过真应力-应变曲线分析可知,球墨铸铁热变形过程中出现明显的加工硬化和加工软化现象;曲线上峰值应力在不同应变速率下均随温度的增加而下降,而峰值应变随温度的增加呈先增加后下降的趋势。QT450-10在650-950℃温度区间,应变速率为0.01-10s~(-1)时的热压缩变形激活能Q=391.52kJ/mol,流变应力σ与Z参数表述的流变应力方程为其中Z参数可表述为:发生动态再结晶的临界应变为对球墨铸铁变形试样的基体组织观察分析表明:球墨铸铁在变形过程中存在形变诱导相变现象。球墨铸铁中形变诱导铁素体转变温度比常规先共析铁素体转变温度提高150℃,且诱导相主要在变形的石墨颗粒周围以碎布块状形态存在;形变诱导珠光体转变开始温度较未变形试样提高43℃,经奥氏体形变诱导珠光体转变后,珠光体发生球化,即碳化物相为均匀分布于铁素体基底的极细的球状颗粒沉淀,其平均尺寸仅为338nm,而铁素体基底分割为许多等轴的亚晶粒,其平均直径仅为1.16μm。研究了变形参数影响石墨颗粒演变的规律,结果表明:随温度的升高,石墨体积百分含量和石墨颗粒形状因子β(石墨短轴/长轴)呈明显下降趋势,而相邻石墨间距则逐渐增加;当应变速率增加时,石墨间距略有下降,而石墨体积百分含量和石墨颗粒形状因子β均无明显变化;随着应变量的增加,相邻石墨间距和石墨颗粒形状因子β呈明显下降趋势,而石墨体积百分含量基本不变。计算表明,石墨由球形演变为椭球状后,当外界拉应力方向与椭球长轴平行时,石墨形状改变可缓和石墨对基体的应力集中效应。球铁热变形过程中,石墨发生塑性变形是因受到基体的摩擦力,导致石墨沿主流变应力方向伸长,即最终的石墨破碎是拉伸断裂而非脆性断裂,当变形量大于石墨颗粒破断的最小变形量(εε_(min))时石墨随即发生破裂。采用逐步逼近法得出QT450-10最佳压力加工温度区间。在该温度区间设计了球墨铸铁的高温锻造和高温轧制工艺。锻造过程中,球墨铸铁发生奥氏体变形后的相变,得到了间距小于0.319μm的细珠光体,较常规正火珠光体片层间距(0.46μm)小30.6%。尽管锻件较铸态试样的伸长率降低了14%,但是抗拉强度却由原来的560MPa增加到905MPa,提高了61.6%,抗弯强度增加了61.2%。当球墨铸铁轧坯的压缩比达到8.83(压缩量89%)时仍保持良好板型,并未出现破碎现象,说明球墨铸铁具有良好的高温可塑性。轧坯中心部位珠光体含量低于边缘部分,石墨由球形演变为片层状。优化轧制参数后,轧坯抗拉强度较铸态球铁提高了26.5%,尤其在平行轧制方向取样的冲击功达到34J。轧板出现各向异性,板坯平行轧制方向(纵向)的抗拉强度比垂直轧制方向(横向)高18.9%,延伸率高13.3%。最后,本文进行了球墨铸铁磨球的锻造余热淬火实验,与常规淬火球墨铸铁磨球以及含铬铸铁磨球相比,锻造余热淬火球墨铸铁磨球的马氏体组织由于继承了形变奥氏体中的位错结构而得到充分细化,磨球边缘硬度值比常规淬火磨球的高5.3%。并且锻造余热淬火磨球冲击韧性是常规淬火磨球和高铬铸铁磨球的3倍。锻造余热淬火的磨球磨损率比常规淬火球墨铸铁磨球的磨损率低53.1%,比含铬铸铁磨球的磨损率低51.1%。摩擦系数比常规淬火球墨铸铁磨球的低7.4%,比含铬铸铁磨球的低9.6%通过热力学计算分析了球铁中能够形成夹杂物的种类及各个夹杂物形成的难易程度,使用SEM观察夹杂物的形状、尺寸与分布,EDS分析夹杂物的元素组成,控制钛含量和冷却速度对含Ti夹杂物的析出规律进行分析,研究了有益夹杂物MnS、TiOx在球墨铸铁中的热力学、动力学行为,探索有益夹杂物在球墨铸铁中应用的可能性。热力学计算结果表明在球墨铸铁中最易形成氧化物,其次为硫化物,碳化物、氮化物最难形成,其中氧化物按形成难易程度排序为La(Ce)2O_3、CaO、BaO、Al_2O_3、MgO、Ti2O_3、Ti3O5、TiO_2、SiO_2、VO、MnO。硫化物按形成难易程度排序为CaS、LaS、BaS、TiS、CeS、MgS、MnS。氮化物、碳化物按形成难易程度排序为TiN、TiC、VC、SiC、VN。实验中发现球铁中以含稀土、镁、钡、钛、硅元素的夹杂物为主,其中单相夹杂物主要有MgO、MgS、TiC、SiO_2、SiC,分布在基体组织和晶界处,尺寸为2～8μm;复合夹杂物主要有La-Ce-Ti-C-N-S、Ce-Ba-Ti-S、Mg-Ba-Ti-Si-S、MgS-SiC、BaO-SiO_2、Mg-Ti-Si-C-S、Mg-Si-C-O、Ti-V-C几种典型夹杂物,在珠光体、铁素体及晶界处均有分布,尺寸为2～10μm。夹杂物的形状主要为圆形和尖角型,个别SiO_2夹杂物带有裂纹,形状近似球形。这些夹杂物会对球铁的力学性能产生影响,应该给予足够的重视。当球墨铸铁中钛含量为0.005%、0.015%和0.025%,冷却速度为3℃/S时,夹杂物的平均尺寸分别为2.14μm、2.76μm和3.04μm,当冷却速度为1、3、6℃/S,Ti含量为0.015%时,夹杂物的平均尺寸分别为4μm、2.77μm、1.5μm。在球铁中可以通过降低钛含量和增加冷却速度方法得到细小弥散分布的含Ti夹杂物。研究发现在钛、稀土、镁等元素的还原作用下,球铁中不易形成MnS夹杂物,在碳、氮的还原作用下,球铁中不易形成TiOx夹杂物,即使是通过预存在原料中的MnS、TiOx夹杂物,在球化处理后也将被去除。利用MnS与TiOx夹杂物诱导球铁基体内形成铁素体是不可能的