高性能铸铁合金凝固过程研究

摘要

随着柴油机性能的不断提升，柴油机燃烧室关键部件如缸体和缸盖所承受的热负荷和机械负荷越来越高，对缸体和缸盖材料的强韧性和导热性配合提出更高的要求，这也是新型缸盖材料研究的重要方向。铸铁材料的强韧性和导热性与石墨、基体及其界面等微观组织特征密不可分。因此，要想综合提高铸铁材料的强韧性和导热性，就必须要深入探讨铸铁材料的微观组织形成过程及其演化机理。国内外在这方面已经进行了大量的研究，但由于试验条件限制，基本上都属于定性结论。
　　本文以国内外高功率柴油机缸盖用铸铁材料（HT300、RuT300、QT600）为研究对象，用液淬的方法制备不同凝固阶段的试样，用热分析法分析铸铁凝固过程，用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱检测分析试样的显微组织、相组成，推导合金的显微组织演变机理。用DT2000及金相组织分析软件分析了三种合金凝固时石墨的形核和长大动力学。使用X射线三维成像技术对灰铸铁石墨的生长过程进行了研究。
　　通过对三种铸铁合金热分析曲线的研究发现，三种铸铁的冷却曲线相似，均主要分为三个阶段。1）温度快速降低区，5～60 s，冷却速度约为3.7℃/s。2）温度平稳区，60～220s，温度基本维持恒定。3）温度快速降低区，220 s以后，冷却速度约为3.6℃/s。蠕墨铸铁共晶反应时间最短，反应最剧烈，温度回升约18℃，冷却速度最大值为+0.8℃/s。球墨铸铁共晶时间次之，温度回升约4℃。灰铸铁时间最长，且共晶阶段温度基本不变。
　　通过对三种铸铁合金凝固过程的研究发现，铸铁石墨的最终形貌与初始形核方式并无关系，且三种铸铁合金初始形核方式相同，均为球状形核析出。灰铸铁与蠕墨铸铁石墨形貌开始发生转变均是在初晶阶段后期，共晶阶段前夕。灰铸铁片状石墨生长时始终与液相接触，石墨生长依靠直接从铁液中吸收碳;球墨铸铁石墨则会被液相完全包裹，石墨的生长依靠铁液中扩散进入奥氏体中的碳;蠕墨铸铁石墨的生长介于灰铸铁与球墨铸铁之间。
　　通过对蠕墨铸铁形核核心进行研究时发现，蠕墨铸铁的形核核心形貌可能为球状、片状、球状和片状组合在一起的不规则形状以及类似于圆柱形的形状;石墨异质核心可以为单核心，也可以为双核心;石墨核心的主要元素有C、Al、S、Ca、Ti、Ce、La、O，石墨球核心物质为:CeO2、SiC、CeS2、CaS、TiC、La2S3、Al2O3;石墨核心尺寸约为1.7～3.4μm。
　　在对三种铸铁合金石墨形核及长大动力研究时发现:三种铸铁合金的形核率均是先增大，后减小。灰铁石墨的形核率在1148℃时达到最大，最大值为40/mm2·s;共晶阶段是灰铸铁主要生长阶段;球墨铸铁石墨的形核率在1180℃时出现峰值，最大值约为400/mm2·s。初晶阶段是球铁石墨主要生长阶段;蠕墨铸铁石墨的形核率在1150℃时形核率最大，约为757/mm2·s;共晶阶段是石墨的主要生长阶段。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 铸铁材料在发动机中的应用

1．3 组织对铸铁材料性能的影响

1．3．1 凝固组织

1．3．2 石墨

1．3．3 基体对铸铁性能的影响

1．4 国内外研究现状

1．5 课题意义

1．6 研究内容与目的

2 实验材料和方法

2．1 合金成分

2．1．1 合金化学成分的选择

2．2 实验设备

2．2．1 熔炼设备

2．2．2 热分析设备

2．2．3 辅助实验设备

2．3 实验方法

2．3．1 三种目标铸铁铁液的制备

2．3．2 热分析数据的采集及液淬试样的制备

2．4 试样分析

2．4．1 取样

2．4．2 试样制备

2．4．3 试样分析方法

2．4．4 试样石墨生长过程的定量表征方法

2．4．5 试样石墨生长过程的三维分析方法

3 铸铁合金凝固过程中组织演化过程研究

3．1 铸铁材料凝固过程热分析研究

3．2 铸铁合金凝固过程中组织演化过程研究

3．2．1 灰铁(HT300)凝固过程中组织的变化过程

3．2．2 球铁(QT600)凝固过程中组织演变过程

3．2．3 蠕铁(RuT300)凝固过程中组织的变化过程

3．3 本章小结

4 铸铁合金石墨形核和长大动力学研究

4．1 蠕铁(RT300)石墨形核过程的研究

4．1．1 蠕铁(RT300)石墨的形核核心形状

4．1．2 蠕铁(RT300)石墨的形核核心物质

4．2 石墨长大动力学研究

4．2．1 形核率

4．2．2 石墨形核率的计算方法

4．2．3 石墨生长速率的计算方法

4．3 球铁(QT600)

4．3．1 球墨铸铁中石墨的形核率计算结果及分析

4．3．2 球墨铸铁中石墨生长速率的计算结果及分析

4．4 灰铁(HT300)

4．4．1 灰铸铁中石墨的形核率计算结果及分析

4．4．2 灰铸铁中石墨生长速率的计算结果及分析

4．5 蠕墨铸铁(RuT300)

4．5．1 蠕墨铸铁中石墨的形核率计算结果及分析

4．5．2 蠕墨铸铁中石墨生长速率的计算结果及分析

4．6 本章小结

5 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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