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對(duì)鑄鐵型材的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)也一直是學(xué)者研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一同時(shí)也是如今水平連鑄CAE技術(shù)的熱門研究方向。作為發(fā)動(dòng)機(jī)類鑄鐵型材的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋是極具代表性的鑄鐵型材產(chǎn)品對(duì)其硬度性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬研究具有較大的實(shí)用價(jià)值和研究意義。在鑄鐵中，碳能以化合態(tài)的滲碳體和游離狀態(tài)的石墨兩種形式存在，游離狀態(tài)的石墨容易形成片狀結(jié)構(gòu)。這是由于石墨的晶格為簡(jiǎn)單六方晶格，基面中的原子間距142nm，原子間結(jié)合力較強(qiáng)；而兩基面間的面間距340nm，因基面間距較大，原子間結(jié)合力較弱，故結(jié)晶時(shí)易形成片狀結(jié)構(gòu)，且強(qiáng)度、塑性和韌性極低，接近于零，硬度僅為3HBS。另外，在碳原子的四個(gè)價(jià)電子中，只有一個(gè)價(jià)電子參加到電子氣中去，這便是石墨具有某些不太明顯的金屬性能(如導(dǎo)電性)的原因。 對(duì)鼓肚缺陷，在鑄鐵型材的水平連鑄過程中采用反弧度法工藝，即通過新型的石墨套與引錠裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，導(dǎo)致在扁平方向上鑄鐵型材頂部略微向下凹，當(dāng)拉拔參數(shù)調(diào)整合適時(shí)，下凹及鼓肚現(xiàn)象基本消失。反弧度法工藝制各的鑄鐵型材組織更為均勻，力學(xué)性能更為優(yōu)良。與實(shí)施反弧度法之前的鑄鐵型材相比，實(shí)施反弧度法之后的鑄鐵型材硬度得到提高，組織更為均勻，并且其抗拉強(qiáng)度指標(biāo)高于鑄鐵型材標(biāo)準(zhǔn)(JBT10854-2008水平連續(xù)鑄造鑄鐵型材) 性能要求。同時(shí)，伸長(zhǎng)率指標(biāo)均超過LZQT500-7規(guī)定的指標(biāo)。與拉伸性能結(jié)果類似，反弧度法試樣的抗壓強(qiáng)度高于未實(shí)施反弧度法試樣的抗拉強(qiáng)度。 基于實(shí)驗(yàn)獲得的鑄鐵型材實(shí)測(cè)硬度數(shù)據(jù)與模擬所得的鑄鐵型材冷卻速度數(shù)據(jù)建立了適用于該灰鑄鐵缸蓋鑄鐵型材硬度性能的數(shù)學(xué)計(jì)算模型該模型主要是考慮了冷卻速度對(duì)灰鐵鑄鐵型材硬度性能的影響。在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上對(duì)軟件進(jìn)行了二次開發(fā)終實(shí)現(xiàn)了該灰鑄鐵缸蓋鑄鐵型材三維硬度數(shù)據(jù)的建立。

在消失模工藝條件下通過向普通球墨鑄鐵中加入Cu、Sb元素的方法制備了度合金化球墨鑄鐵并采用Procast軟件對(duì)中大型沖壓件模具充型過程進(jìn)行模擬。系統(tǒng)研究了Cu、Sb元素對(duì)球墨鑄鐵型材的觀組織和性能的影響規(guī)律。組織觀察表明隨著Cu含量的增加珠光體含量增加。當(dāng)Cu含量一定時(shí)隨著Sb含量的增加珠光體含量進(jìn)一步增加。機(jī)械性能測(cè)試表明Cu、Sb合金化元素能夠明顯地提高球墨鑄鐵的強(qiáng)度和硬度等機(jī)械性能但導(dǎo)致延伸率略有下降。 采用該種新材料結(jié)合消失模鑄造技術(shù)開發(fā)研制了大型球墨鑄鐵沖壓件模具毛坯實(shí)現(xiàn)了大型沖壓件模具的一次近終成型。 對(duì)鼓肚缺陷，在鑄鐵型材的水平連鑄過程中采用反弧度法工藝，即通過新型的石墨套與引錠裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過實(shí)施反弧度法工藝，鑄鐵型材的鼓肚現(xiàn)象得到有效。但由于在率次實(shí)驗(yàn)過程中，剛開始生產(chǎn)鑄鐵型材時(shí)的拉拔速度比較慢、拉拔周期較長(zhǎng)，使鑄鐵型材在結(jié)晶器的停留時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致在扁平方向上鑄鐵型材頂部略微向下凹，實(shí)施反弧度法之后的鑄鐵型材硬度得到提高，組織更為均勻，并且其抗拉強(qiáng)度指標(biāo)高于鑄鐵型材標(biāo)準(zhǔn)(JBT10854-2008水平連續(xù)鑄造鑄鐵型材) 性能要求。同時(shí)，伸長(zhǎng)率指標(biāo)均超過LZQT500-7規(guī)定的指標(biāo)。與拉伸性能結(jié)果類似，反弧度法試樣的抗壓強(qiáng)度高于未實(shí)施反弧度法試樣的抗拉強(qiáng)度。所獲得拉坯工藝參數(shù)能夠用于實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、率的鑄鐵型材水平連鑄拉坯生產(chǎn)。采用Procast軟件對(duì)轎車頂蓋模具在消失模工藝下充型過程進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)果表明:該材料在消失模工藝條件下采用雙側(cè)澆注系統(tǒng)時(shí)當(dāng)真空負(fù)壓值為0.07MPa澆注溫度為1450℃可以獲得優(yōu)質(zhì)無(wú)缺陷的模具鑄件模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相吻合。 采用本研究所開發(fā)的新型度球墨鑄鐵材料在消失模工藝下研制了多種中大型沖壓件模具經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證具有良好的機(jī)械性能抗拉強(qiáng)度大于710MPa硬度可達(dá)230-280HB延伸率可達(dá)3-5%基體中珠光體含量大于90%經(jīng)無(wú)損探傷測(cè)試模具鑄件無(wú)縮孔符合中大型沖壓件模具的性能要求。