厚大断面球铁石墨析出行为及其铸件的物理模拟研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 球墨铸铁的研究概况
• 1.2.1 球铁的凝固
• 1.2.2 石墨球化机理及研究现状
• 1.3 厚大断面球铁的研究现状
• 1.3.1 厚大断面球铁的石墨畸变
• 1.3.2 厚大断面球铁的石墨球数
• 1.3.3 厚大断面球铁的基体组织
• 1.3.4 厚大断面球铁的化学成分
• 1.4 厚大断面球墨铸铁的应用
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 实验材料及研究方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 铁液的熔炼及球化处理工艺
• 2.3 凝固过程中的温度测试
• 2.4 微观组织结构分析测试
• 2.4.1 光学显微镜观察
• 2.4.2 扫描电镜观察
• 2.4.3 高分辨透射电镜观察
• 2.4.4 热分析
• 2.5 力学性能测试
• 2.5.1 拉伸实验
• 2.5.2 冲击实验
• 第3章 厚大断面球铁的石墨析出行为
• 3.1 引言
• 3.2 石墨析出规律及形貌特征
• 3.2.1 模拟凝固过程
• 3.2.2 石墨析出规律
• 3.2.3 球状石墨的形貌特征
• 3.2.4 碎块状石墨的形貌特征
• 3.3 熔体保温过程中影响石墨形态的因素分析
• 3.3.1 孕育衰退作用
• 3.3.2 熔体过冷度变化规律及其影响
• 3.4 碎块状石墨的形成机理
• 3.4.1 碎块状石墨的微观结构
• 3.4.2 碎块状石墨的形成机理
• 3.5 本章小结
• 第4章 微量元素对石墨形态的影响及作用机制
• 4.1 引言
• 4.2 铈对球铁石墨球数和尺寸分布的影响
• 4.2.1 Ce 对石墨球数的影响
• 4.2.2 Ce 对石墨球径及尺寸分布的影响
• 4.3 锑和冷却速度对碎块状石墨形成的影响
• 4.3.1 Sb 对球铁微观组织的影响
• 4.3.2 Sb 对三维石墨球数及尺寸的影响
• 4.4 复合添加锑和稀土对石墨形态的影响
• 4.4.1 微量元素对球铁组织的影响
• 4.4.2 微量元素的分布
• 4.5 微量锑在球铁中的作用机制
• 4.5.1 热力学分析
• 4.5.2 Sb 作用的电子理论分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 百吨级核乏燃料球铁容器铸件的物理模拟
• 5.1 引言
• 5.2 厚大断面球铁铸件的基础实验研究
• 5.2.1 立方体试块的冷却曲线
• 5.2.2 立方体试块的组织分析
• 5.3 物理模拟设计
• 5.4 强制冷却系统的设计
• 5.4.1 外冷铁尺寸的选择
• 5.4.2 内侧强制冷却方案的设计
• 5.5 扇形模拟试块的组织及力学性能
• 5.5.1 模拟试块的微观组织
• 5.5.2 模拟试块的力学性能
• 5.6 物理模拟的相似性与强制冷却效果评价
• 5.6.1 物理模拟的相似性
• 5.6.2 强制冷却效果评价
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历