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摘要：铸件中不均匀的冷却导致局部不同的显微组织和机械性能，从而影响到铸件的质量和寿命。在本研究中，为预测球墨铸铁件局部的显微组织和机械性质，进行数字分析。用于数字分析的铸件和铸型之间的传热系数(HTC)是通过与结构设备用的主阀体中温度测量结果进行比较校正的。使用校正后的HTC的数字分析结果通过与实验结果比较进行了检验。关于铁素体和珠光体相含量、屈服强度和硬度的数字分析结果与实验结果正好一致。然而，由于铸件的孔隙，关于抗拉强度与延伸率的数字分析结果误差分别达到14%和44%。根据比较结果，可以断定，所建立的数字(回归)分析，对于为获得合格球铁铸件而进行局部的显微组织和机械性质预测是有效的。
1、引言
如图1所示的主控制阀体包含许多复杂通道，是保证结构设备高性能的最重要零件之一。主阀体的松散形状造成凝固期间表面与内部之间不均匀冷却。不均匀冷却导致零件中局部不同的显微组织和机械性质。然而，人们设想球铁主阀体的材料性质是均匀的，这是因为难以定量地考虑材料的不均匀性。
在本研究中，使用有限的体积程序Anycasting(1)预测球墨铸铁主控制阀体的显微组织和机械性质，进行了回归分析。为了模拟实际铸件的冶金特性已选定了关于显微组织和机械性质的预测模型。控制方程如下：
(1)关于预测转变温度的公式：
T共晶，稳定=11544+4重量%Si-Z重量%Mn，
T公晶，亚稳=1148-15重量% Si+3重量% Mn，
T公析=740+15重量% Si—3.5重量% Mn，
(2)关于预测机械性质的公式
HB=100.fg+HBαfα+HBp、fp
HBα=54+37.Si
HBp=223+50(Mn+Cu+Cr+Mo)+10.Ni+20[(dT/dt)]850-0.5]
σ=(1-fgn)(482.2.fα+991.5fp+50.[( dt/dt)]850-0.5 ]
σy=(1-fg)(331.2.fα+587.8fg)+35. [( dt/dt)]850-0.5 ]
ε=(1-1-fgn)(26.2.fα+5.61.fp)
此处，g是石墨、a是铁素体，p是珠光体，n是石墨的形状系数、( dT/dt)]850是在850℃的冷却速度。
图1 结构设备的主控制阀体
2.关于冷却曲线校准的试验
图2表示测定温度的试验程序。三个热电偶分别安插在铸件的厚部、冒口下部和薄部，如图2(a)所示。三点的温度测量时间从球铁熔液进入铸型开始直到凝固终了。
主控制阀体的化学成分示于表1，数字分析各部分材料的名称和原始温度示于表2，数字分析所用的传热系数示表3.
图2主阀体温度测量的试验程序
图中(a)热电偶的位置
(b)热电偶的安装
(c)温度测量
(d)主控制阀体
表1 主控制的阀体的化学成分
C
Si
Mn
P
S
Mg
重量%
3.57
2.26
0.15
0.04
0.007
0.004
表2 各部分的材料和原始温度
部分
材料
原始温度(℃)
铸件
球墨铸铁
1380
铸型
湿型砂
25
型芯
殻型
25
表3 数字分析用的热传系数
界面
传热系数(卡/厘米2、秒℃）
空气/全部
0.001
铸件/铸型
0.1（0~1750秒）
0.05（1751~秒）
为了增加数字分析和实验结果之间的准确性，针对数字分析校准了铸件和铸型之间的传热系数。校准后的传热系数，在凝固前为0.1卡/厘米2秒℃，凝固后为0.05卡/厘米2.秒℃。传热系数从0.1降到0.05卡/厘米2.秒℃，是由于铸件凝固后的体积收缩造成了铸件和铸型之间的间隙。
图3显示的数字分析和试验结果表明，数字分析的结果非常一致。
图3 主控制阀体各部分的冷却曲线
3 结果和讨论
关于主控阀体浇注和凝固的数字分析是用校正过的热传导系数进行的。由数字分析得到的浇注和凝固顺序分别示于图4和图5.金属液从型腔底部向冒口平稳地充满。铸件由外向内凝固，冒口最后凝固，业已发现，通过模拟结果已经为生产无缩孔铸件达到了方向性凝固。
硬度检验是在图6(a)中AA剖面的#1、#2、#3和#4部位进行的，拉伸试验是从图6(b)剖面的A部取样。
图4浇注顺序
图中(a)注满率：15%(b)注满率：30%(c)注满率：15%(d)注满率：30%
图5凝固顺序
图中(a)凝固率：15%(b)凝固率：30%(c)凝固率：60%(d)凝固率：99%
图6硬度、拉伸试验和显微组织观察的取样位置
图中(a)硬度测量和显微组织观察的取样位置
(b)拉伸试样的取样位置
图7表示说明球墨铸铁显微组织的图6(a)中AA剖面中的显微组织，它是由珠光体和含有所谓公牛眼状的石墨球的铁素体组成。
图7 AA剖面中各位置的显微组织
图中(a)#1位置
(b)#2位置
(c)#3位置
(d)#4位置
图8 主控制阀体的数字分析结果
图中(a)铁素体相份量(b)珠光体相份量(c)硬度(HB)(d)抗拉强度(MPa)(e)屈服强度(MPa)(f)延伸率(%)
表4~6和图8—10分别表示数字分析和关于显微组织与机械性质试验结果的比较情况。铁素体和珠光体含量的数字分析结果与实验结果基本一致，误差为4~7%，如表4所示。硬度和抗拉强度的数字分析结果与实验结果很相符，最大误差为2.8%，如表5所示。另一方面，屈服强度与延伸率的数字分析结果分别达到误差14%和44%，如表6所示。
表4 主控制阀体的AA剖面中铁素体和珠光体的含量
位置
铁素体含量(%)
珠光体含量(%)
试验
模拟
误差
试验
模拟
误差
#1
43
49
6
57
51
-6
#2
42
49
7
58
51
-7
#3
47
51
4
53
49
-4
#4
45
51
6
55
49
-6
表5 AA横断面中的硬度
硬度（HB）
位置
试验
模拟
误差%
#1
178
175
-1.7
#2
178
175
-1.7
#3
178
173
-2.8
#4
178
173
-2.8
表6 剖面BB/中A位置的拉伸性质
抗拉强度(MPa)
试验
模拟
误差（%）
498
570
14
屈服强度(Mpa)
354
350
-1.1
延伸率(%)
7
12.7
44
图9主控制阀体数字分析和测量结果的比较
图中Location位置(a)铁素体相百分率(b)珠光体相百分率(c)硬度(d)抗拉强度，屈服强度和延伸率(e)抗拉强度、屈服强度和延伸率的误差
抗拉强度随着球铁中孔隙率的增加而直线下降，如图10所示。在公式10中推导出抗拉强度和孔隙面积百分率之间的相关性。
UTS=357.98-3.51x(R2=0.99)
此处UTS—抗拉极限强度，x—在断裂表面上测得的孔隙%，R2—相关系数，R2=0.99表明公式10与实验结果相关性很好。
延伸率随着球铁中孔隙率增加而急剧下降，如图11所示。由公式11可以推导出延伸率和孔隙面积%之间的相关性。
EL=16.86x-0.46 R2=0.93
此处x为在断裂表面上测得的孔隙%，R2为相关系数。
公式11指出，球铁中延伸率和孔隙率%之间的相关性符合动力定律模式。它意味着球铁中延伸率对孔隙率是很敏感的。
因此，可以断定抗拉强度和延伸率的实验结果与数字分析之间的较大误差是拉伸试验之后断裂表面上的孔隙率所造成。
图10 球铁中抗拉强度和孔隙率之间的相关性(6)
图中UTS抗拉极限强度 Porostiy孔隙率
图11 球铁中延伸率和孔隙率的相关性(6)
图中EL延伸率 Porostiy孔隙率
4 结论
为了预测结构设备主控制阀体局部的显微组织和机械性质进行了数字分析，结论归纳如下：(1)在考虑到由于球铁熔液凝固后的体积收缩引起铸件和铸型之间的间隙的情况下，校正了作为时间函数的热传系数(HTC)。使用该系数模拟的冷却曲线与实验曲线正好相符;
(2)关于显微组织和机械性质数字分析的结果通过与实验结果比较得到确识。关于铁素体和珠光体含量、屈服强度和硬度数字分析的结果与实验结果正好相符;然而关于抗拉强度与延伸率的数字分析结果的误差分别达到14%和44%，这是由于在拉伸试验后的断裂表面上有孔隙。
(3)业已发现，所建立的关于预测局部显微组织和机械性质的数字分析程序可能适用于设计合格的球铁铸件。
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