慕 斌，洪麗華，陳永祿，韓 梅，李世杰，余本輝

(福建工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350118)

0 引言

在球墨鑄鐵生產(chǎn)中，當(dāng)需要實(shí)時(shí)快速完成材料中多種成分的檢測(cè)時(shí)通常采用直讀光譜技術(shù)。為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，要求測(cè)試面的組織為均勻細(xì)小的白口組織[1]。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)利用光譜成分分析試樣進(jìn)行成分測(cè)試時(shí)，對(duì)測(cè)試面組織進(jìn)行預(yù)分析的相關(guān)研究報(bào)道較少。

本文將以國(guó)標(biāo)GB/T5678-2013[2]中規(guī)定的一種鑄鐵光譜檢測(cè)試樣為研究對(duì)象(以下簡(jiǎn)稱：光譜樣)，采用鑄造ProCAST模擬軟件模擬其澆注與凝固過(guò)程，獲得光譜樣測(cè)試面與縱截面上的冷卻速度變化規(guī)律，以確定國(guó)標(biāo)樣規(guī)格條件下，測(cè)試面滿足光譜成分檢測(cè)的厚度，為鑄鐵光譜樣制樣規(guī)范以及測(cè)試位置的有效性判斷提供科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 鑄鐵光譜樣建模

鑄鐵光譜樣的尺寸見(jiàn)圖1，利用Creo3.0構(gòu)建光譜樣的3D模型，見(jiàn)圖2。

圖1 國(guó)標(biāo)鑄鐵光譜樣的尺寸(單位：mm)Fig.1 Dimensions of national standard cast iron spectral sample(unit: mm)

圖2 國(guó)標(biāo)鑄鐵光譜樣的3D模型Fig.2 3D model of national standard cast iron spectral sample

1.2 模擬工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)

1.2.1 澆鑄溫度及模具材質(zhì)

現(xiàn)代企業(yè)球墨鑄鐵的熔煉溫度在1 500～1 600 ℃[3]，本文取1 550 ℃作為本次模擬實(shí)驗(yàn)溫度。

GB/T5678-2013中對(duì)光譜檢測(cè)試樣的鑄型材料沒(méi)有明確規(guī)定，企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用鋼模具，所以選擇H11模具鋼作為模具及冷卻材料。

1.2.2 充型材料及收縮率

1)本文以現(xiàn)場(chǎng)QT450-10為研究對(duì)象，但是ProCAST中沒(méi)有該材質(zhì)，所以選用和QT450-10材質(zhì)相近的Ductilc Iron DJS-400(球墨鑄鐵)作為本次模擬試樣的充型材料。兩種材質(zhì)的成分如表1所示。

2)查閱鑄造工程師手冊(cè)[4]球墨鑄鐵的線收縮率在0.4%～1.0%，本文鑄型全為金屬型，故選擇1.0%。

1.2.3 熱交換系數(shù)

金屬型換熱存在兩種：一是充型材料與模具熱交換；二是模具與空氣的熱交換。查閱鑄造CAE手冊(cè)得到換熱系數(shù)[5]。

充型材料與模具熱交換系數(shù)：1 000～1 500W/(m2·K)。

模具與空氣的熱交換系數(shù)：5～10W/(m2·K)。

由于換熱系數(shù)并沒(méi)有具體的材質(zhì)說(shuō)明，故本文鑄鋼模選擇1 000 W/(m2·K)，與空氣的熱交換系數(shù)鑄鋼模選擇5 W/(m2·K)。

國(guó)標(biāo)鑄鐵光譜樣的模擬工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 QT450-10與DJS-400-18成分表

表2 國(guó)標(biāo)鑄鐵光譜樣的模擬工藝參數(shù)

1.3 試樣測(cè)溫點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于測(cè)試面呈圓形，因此在面上僅需研究徑向不同位置點(diǎn)的冷卻速度變化規(guī)律(即測(cè)試面)，對(duì)應(yīng)徑向每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的軸向方向，間隔相同距離研究光譜樣軸向冷卻速度變化規(guī)律(即縱截面)。測(cè)溫點(diǎn)位置設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 徑向及軸向測(cè)溫點(diǎn)設(shè)置示意圖(紅點(diǎn)為CAE模擬中的鑄件溫度測(cè)試點(diǎn))Fig.3 Setting of radial and axial temperature measuring points (red points are casting temperature testing points in CAE simulation)

測(cè)溫點(diǎn)設(shè)計(jì)說(shuō)明：

1)測(cè)試點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)徑向從中心向外依次標(biāo)記坐標(biāo)0、1、2、3、4、5；軸向從底部向上依次標(biāo)記坐標(biāo)為0、1、2、3、4、5、6、7、8。因此總計(jì)54個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。

2)測(cè)試面半徑總長(zhǎng)17.5 mm，為便于數(shù)據(jù)記錄間隔4 mm取一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，最后兩點(diǎn)間距1.5 mm。

3)測(cè)試面軸向總高8 mm，沿軸向每隔1 mm設(shè)置1個(gè)測(cè)溫層。

1.4 冷卻速度的模擬設(shè)計(jì)

記錄徑向與軸向溫度場(chǎng)的變化，以徑向6個(gè)點(diǎn)為一組繪制各個(gè)點(diǎn)的t～θ變化曲線，分別求導(dǎo)后繪制每個(gè)點(diǎn)的冷卻速度變化曲線(V～t曲線)，以半徑Ri0上各點(diǎn)的冷卻速度為該軸向標(biāo)準(zhǔn)(完全白口化所需冷卻速度)記為VRi0。

(1)

只要某條半徑上各點(diǎn)的冷卻速度VRij與VRi0滿足上述關(guān)系，則白口層深度即為j。

1.5 有效測(cè)試位置和磨樣深度的確定

根據(jù)1.4中的結(jié)果，得到滿足條件的VRij對(duì)應(yīng)的i和j值，則由i與j確定的圓柱形區(qū)域?yàn)榘卓诨瘏^(qū)域，即為有效測(cè)試區(qū)域。實(shí)際測(cè)試面磨樣深度建議不超過(guò)j+0.58 mm。

2 研究結(jié)果與分析

溫度變化曲線可以反映鑄件充型與凝固過(guò)程的溫度變化規(guī)律，光譜樣上各測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化曲線如圖4所示。

分析圖4可以發(fā)現(xiàn)存在以下規(guī)律：

1)在測(cè)量初始階段，不同測(cè)溫點(diǎn)溫度的起伏較大，溫度變化規(guī)律不明顯。

2)任意半徑上測(cè)溫點(diǎn)i=0～3點(diǎn)的冷卻規(guī)律相似，靠近邊緣的i=4、i=5點(diǎn)冷卻規(guī)律相似，存在“分組”現(xiàn)象。

3)在凝固過(guò)程結(jié)束時(shí)，所有的冷卻曲線都表現(xiàn)出相似的斜率，這表明在凝固過(guò)程的這一階段，所有情況下的傳熱速率幾乎相同[6]。

初始階段，由于鋼液溫度與模具溫度相差很大及充型過(guò)程導(dǎo)致溫度擾動(dòng)，因此，曲線的起伏較大，變化規(guī)律不明顯?！胺纸M”現(xiàn)象是因?yàn)閕=4、i=5兩點(diǎn)靠近溫度較低的模具側(cè)壁，此時(shí)傳熱迅速、形核率高快速完成了結(jié)晶過(guò)程進(jìn)入了晶粒長(zhǎng)大階段。結(jié)晶后，i=4、i=5兩點(diǎn)的溫度與模具相差很小，過(guò)冷度較小不足以促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大，再加上側(cè)模壁可以作為非均質(zhì)形核的“核心”較多，便在鑄件側(cè)壁表面形成了一層等軸細(xì)晶區(qū)。每條半徑上i=0～3測(cè)溫點(diǎn)的冷卻規(guī)律相近，這是因?yàn)槭艿侥＞邆?cè)壁的影響小，存在較長(zhǎng)時(shí)間的形核和結(jié)晶過(guò)程。該過(guò)程越長(zhǎng)，則液相存在的時(shí)間越長(zhǎng)，處于鑄樣內(nèi)部位置的后續(xù)補(bǔ)縮將更加困難。最外層結(jié)晶以后將鑄件冷卻，內(nèi)部冷卻開(kāi)始加快并促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)，產(chǎn)生了柱狀晶區(qū)。隨著柱狀晶區(qū)長(zhǎng)大，結(jié)晶放熱導(dǎo)致散熱速度降低，散熱方向性不明顯，趨于均勻冷卻，形成等軸晶區(qū)[7]。每條半徑上i=4、i=5兩點(diǎn)急速冷卻，會(huì)產(chǎn)生成分偏析，i=0～3點(diǎn)冷卻較慢成分偏析較低，組織較為一致，有利于降低光譜成分檢測(cè)的波動(dòng)性。

本文中冷卻速度是指各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度在進(jìn)入結(jié)晶區(qū)間前的冷卻速度。各測(cè)溫點(diǎn)點(diǎn)的冷卻速度如表3所示。

圖4 光譜樣不同高度測(cè)試面徑向各測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化曲線圖(1 550 ℃，H11鋼模)Fig.4 Curve of temperature change of each temperature measuring point in radial direction of test surface at different heights of spectral sample (1 550 ℃, H11 steel mold)

表3 光譜樣各測(cè)溫點(diǎn)的冷卻速度(1 550 ℃，H11鋼模)

根據(jù)式(1)計(jì)算各個(gè)點(diǎn)的值，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 光譜樣各測(cè)溫點(diǎn)與對(duì)應(yīng)點(diǎn)比值

根據(jù)式(1)可判斷：Ri1層只有測(cè)溫點(diǎn)R51冷卻速度不符合要求，考慮測(cè)溫點(diǎn)R41和R51相距1.5 mm，小于單個(gè)直讀光譜樣測(cè)試點(diǎn)覆蓋半徑(約3～4 mm)范圍，可剔除點(diǎn)R51數(shù)據(jù)，認(rèn)為該面白口化完全，可用于光譜成分測(cè)試；Ri2層只有測(cè)溫點(diǎn)R12、R22、R32滿足判據(jù)，證明此面已經(jīng)形成部分灰口組織，白口化不完全；Ri3～Ri7只有4個(gè)點(diǎn)滿足判據(jù)，在光譜成分實(shí)際測(cè)試時(shí)這些高度的測(cè)試面是不可用的。

3 結(jié)論

以國(guó)標(biāo)GB/T5678-2013中規(guī)定的一種鑄鐵光譜檢測(cè)樣為實(shí)驗(yàn)摸擬研究對(duì)象，采用ProCAST軟件模擬其冷卻速度的變化規(guī)律，選擇澆注溫度為1 550 ℃，H11鋼為模具材料及冷卻材料，充型材料與模具熱交換系數(shù)1 000 W/(m2·K)，模具與空氣的熱交換系數(shù)5 W/(m2·K)，探究國(guó)標(biāo)樣的光譜成分有效測(cè)試位置范圍?；谏鲜雒M研究，結(jié)論如下：

1)有效測(cè)試區(qū)域?yàn)椋簭较騣=4(16 mm)，軸向j=1(1 mm)的區(qū)域，即徑向面積占比為83.6%，高為1 mm的圓柱區(qū)域。

2)實(shí)際測(cè)試面磨樣深度建議不超過(guò)1.5 mm。

依此開(kāi)展國(guó)標(biāo)樣光譜成分測(cè)試前的磨樣及有效測(cè)試位置的正確選擇，可有效減少誤差。