厚大斷面球鐵石墨析出行為及其鑄件的物理模擬研究.pdf

1、厚大斷面球鐵鑄件以其性能和成本上的優(yōu)勢，在核電、風(fēng)電等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。但迄今為止，厚大斷面球鐵鑄件中形成碎塊狀石墨仍是目前國內(nèi)外鑄造領(lǐng)域研究與生產(chǎn)的難題。本文采用模擬實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)性驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研究了厚大斷面球鐵中石墨析出行為及碎塊狀石墨的形成機(jī)理，分析了微量元素的作用機(jī)制。采用等溫切面方法物理模擬了百噸級(jí)核乏燃料球鐵儲(chǔ)運(yùn)容器鑄件的凝固過程，設(shè)計(jì)了強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，并對模擬試塊的微觀組織及力學(xué)性能進(jìn)行了綜合分析與評(píng)價(jià)。
　　

2、利用自行設(shè)計(jì)的液淬保溫爐，模擬了厚大斷面球鐵的凝固過程，研究了石墨的析出規(guī)律，并分析了其影響因素。結(jié)果表明，當(dāng)保溫時(shí)間小于240min時(shí)，石墨呈球狀析出。保溫時(shí)間達(dá)到240min后，熔體中析出了碎塊狀石墨。繼續(xù)延長保溫時(shí)間，在碎塊狀石墨共晶團(tuán)周圍有蠕蟲狀和片狀石墨形成。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)碎塊狀石墨從鐵液中直接析出。利用高分辨透射電鏡(HRTEM)揭示了碎塊狀石墨的微觀結(jié)構(gòu)與球狀石墨相同，具有沿[0001]方向生長的特征。凝固前期，熔體中存在著濃

3、度起伏和溫度起伏，異質(zhì)核心數(shù)量多，石墨形核所需的過冷度小，且適量的球化元素保證了石墨以球狀析出。凝固時(shí)間延長時(shí)雖然球化能力有所降低，但仍能維持石墨按照球狀方式進(jìn)行長大的特征。同時(shí)，熔體中濃度起伏和溫度起伏作用逐漸降低，石墨形核所需的過冷度變大，不利于石墨以球狀長大。且雜質(zhì)元素(如S等)的干擾作用增強(qiáng)，促使石墨分枝，最終使石墨以碎塊狀析出。
　　系統(tǒng)研究了RE、Sb對球鐵中石墨形態(tài)和球數(shù)的影響規(guī)律及作用機(jī)理。Ce含量在0.005％～

4、0.02%期間變化，石墨球數(shù)在0.014%Ce時(shí)達(dá)到極大值，平均球徑最小，且有效抑制了非球狀石墨的形成。采用階梯試樣研究冷速和Sb的加入綜合作用對球鐵中碎塊狀石墨形成的影響表明，對于相同壁厚的試樣，Sb的加入細(xì)化了石墨球，增加了石墨球數(shù)。壁厚為90mm時(shí)，不含Sb的球鐵組織中會(huì)形成碎塊狀石墨，而添加Sb則抑制其形成。復(fù)合添加適量的RE和Sb可進(jìn)一步提高石墨球數(shù)，抑制碎塊狀石墨的形成。結(jié)果均表明提高石墨球數(shù)可以有效抑制碎塊狀石墨的形成。利

5、用固體與分子經(jīng)驗(yàn)電子理論(EET)對微量元素Sb在球鐵中的作用進(jìn)行了分析，Sb溶入奧氏體中，使其DCF′值從2.11874增加到5.22889，即C原子在鐵液中的擴(kuò)散阻力增加。Sb吸附于石墨-鐵水界面上，延緩C原子向石墨球的擴(kuò)散，降低石墨球的生長速度。同時(shí)，Sb的加入可以提高石墨形核率，兩方面共同作用的結(jié)果使Sb的加入提高了球狀石墨的數(shù)量，從而抑制了碎塊狀石墨的形成。EET計(jì)算還表明，Sb的加入提高了S'值，使Fe3C容易析出，因此促進(jìn)

6、了組織中珠光體的形成。此外，DCF′值的增加，也使共析轉(zhuǎn)變過程更容易形成珠光體，故應(yīng)控制Sb的加入量。
　　基于上述研究結(jié)果，采用等溫切面方法物理模擬了百噸級(jí)核乏燃料球鐵儲(chǔ)運(yùn)容器鑄件的凝固過程。在扇形模擬試塊的非自然表面采用絕熱保溫，使其沿壁厚每一剖面都處于等溫面狀態(tài)，其沿壁厚同一剖面凝固時(shí)間一致，組織無明顯變化。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明容器鑄件的冷卻曲線形狀與模擬試塊相應(yīng)部位的實(shí)測值相似，凝固時(shí)間相近。設(shè)計(jì)了冷鐵與通水相結(jié)合的強(qiáng)制冷