一、本课题研究的意义
球墨铸铁的发明，使铸铁材料的性能产生了质的飞越，因此在国内外都发展很快。以其优良的综合力学性能和低廉的价格而被广泛应用，应用范围已遍及汽车、农机、船舶、冶金、化工等领域。
铸态条件下，球墨铸铁件正常的微观组织由细小圆整的石墨球和金属基体组成。因此，在没有缺陷的球墨铸铁件中，影响铸件机械性能的因素主要是珠光体、铁素体以及石墨球。一般来说，珠光体球磨铸铁具有强度和硬度高，具有一定的韧性和良好的耐磨性，常用于制造承受载荷及摩擦磨损的零件；铁素体球墨铸铁具有高的塑性、韧性和较低的强度，但延伸率较高，因此常用于制造受力较大而又承受震动和冲击的零件。
尽管这两种基体在不同程度上影响着球墨铸铁件的机械性能，但石墨球仍然对其性能会产生重大影响。如在大断面球墨铸铁的铸造生产中，容易出现石墨开花现象，严重削弱了球墨铸铁的力学性能，其强度、硬度、伸长率和冲击韧性都明显降低；又如，在薄壁球墨铸铁铸件
的生产中，由于壁薄，共晶凝固时冷却速度极快，容易出现白口组织；大量细小石墨球的出现，可以抑制铸件的白口化，铸件越薄，所需要的石墨球数量越多。同时，石墨球是严重影响球墨铸铁件机械性能的因素之一。在国内球墨铸铁的铸造生产中，评价铸件中石墨状态的指标通常是按照国标准GB9441-88来评定的。此标准中，对球化级别和石墨大小进行了详细的分级，但是没有作出对石墨球的数量进行评定的标准。在实际的铸造生产中，对于球墨铸铁的球化率和大小的评级，往往采用目测金相组织图片与国标图谱相对照的方式来确定。显然，此方式不仅评判速度慢，而且评定结果易受主观因素的影响而不够准确。如果以石墨球的数量作为评定的标准，不仅可以如实地反映出石墨的状态，而且评定还非常方便。理由是：①石墨球数增加，球径较小，石墨球的圆整度也相对提高，在基体上的分布也趋均匀；②石墨球的数量用来评价球墨铸铁的孕育效果，是一种有效且直观的方法；③球墨铸铁中石墨球的数量反映了共晶团的数量；④在薄壁球铁件铸造中，铸件是否出现白口取决于石墨球的数量。国外始终将石墨球的数量作为评价球墨铸铁质量的一个重要指标。美国铸造师协会（AFS）编写的《球墨铸铁金相图谱》将石墨球数从25个/㎜2到300个/㎜2分成7个级别。在球化良好、球墨分布均匀的球铁中，石墨球数与石墨大小、球径有着如表1所示的对应关系。从表可见，用石墨球数来评价球铁中石墨均匀程度以及力
学性能更为准确。
表1 石墨球数与石墨大小、球径的对应关系
项目 | 标准 | 对应数值和级别 |
石墨球数（个/㎜2） | AFS图谱 | 25 | 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 |
石墨大小（级） | GB9441-88 | 5 | 6 | 6～7 | 7 | 7～8 | 7～8 | 8 |
石墨球径×100（㎜） | AFS图谱 | 8～12 | 3～6 | 2～4 | 2～3 | 1.5～3 | 1～2 | <1.5 |
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鉴于石墨球数量对球墨铸铁机械性能的重要影响以及对球墨铸铁性能评价的重要性，构建以石墨球数量为评价标准并建立石墨球数量与不同牌号球墨铸铁性能之间的关系便显得尤为重要。本课题正是以此为研究目标，探究不同石墨球数量对不同牌号球铁铸件机械性能的影响，进而构建并完善对球墨铸铁性能的评价体系，为我国球墨铸铁的生产提供可靠的依据。
二、研究内容与技术路线
1、研究内容
1）含有不同石墨球数的球墨铸铁试样的制备
该过程可通过两种方案实现：一是改变试样的壁厚，控制冷却速度；二是通过控制球化衰退和孕育衰退。两种方案具体包含以下内容：
1.1）改变壁厚方案
①试样的铸造工艺设计
已有研究显示，控制铁液在共晶凝固阶段的冷却速度可以得到不同数量的石墨球。因此，可以通过设计不同壁厚的试样来控制冷却速度，从而获得不同石墨球数量的试样，而又可以避免试样受其它因素的影响。 ②铁液化学成分的选择
为了避免在本研究中薄壁铸件的白口化，必须设计出合理的化学成分。在CE<5%的范围内，C、Si球墨铸铁铸造量尽量高，控制铁液低硫、低磷及低的杂质含量。
③球化处理
采用适当的球化剂，控制残余镁量在0.02～0.05%以获得不同数量的石墨球。
④孕育处理
采用多次孕育以及采用瞬时孕育相结合的方法控制石墨球的数量。
⑤铁液的保持时间和浇注温度控制
将铁液静置10min左右，控制浇注温度，然后采用低温快速浇注的方式，以增大铁液的过冷度，增加石墨形核核心。
1.2）控制球化衰退和孕育衰退方案
①试样的铸造工艺设计
由于球化处理和孕育处理对石墨球数量影响较大，因此，可设计相同的试样壁厚，通过控制球化处理和孕育处理时的衰退来获得含有不同石墨球数量的试样。
②铁液化学成分的选择
此方案的铁液成分较方案一可适当放宽。但铁液也应该低硫、低磷及低的杂质含量。出铁温度≥1450～1470℃，原铁液的硅量≤1.2%～1.4%。适当添加合金元素。铁液参考成分如表3所示：
表3 铁液参考成分
成分 | C | Si | Mn | S | P | CE |
含量（%） | 3.5～3.8 | 2.2～2.6 | <1 | <0.02 | <0.06 | ～4.5 |
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③球化处理
采用稀土硅铁镁合金作为球化剂。改变球化衰退的时间控制石墨球数量。
④孕育处理
可采用75%硅铁作为孕育剂。改变孕育剂的加入方式，获得不同石墨球的球铁试样。
⑤铁液的保持时间和浇注温度控制
将铁液静置10min左右，浇注温度控制在1350～1400℃。
2）不同试样的显微组织参数（P%、F%、石墨球数量、直径、球化率、球化级别等）的统计
制备金相试样，在金相显微镜下获得石墨球的金相照片，利用专用软件或图像分析仪确定珠光体与铁素体的比例、石墨球的数量、球化率和球化级别（与标准图样相比对）。
3）球墨铸铁机械性能的检测及各项指标统计
将制备的试样加工成实验需要的尺寸。测定含有不同数量石墨球的球铁的机械性能，获得试样的各种力学性能参数，如抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击韧性、硬度等。
4）分析石墨球数量与机械性能指标的相关性
用数理的统计的方法计算石墨球数与球墨铸铁各项性能之间的数量关系。
5）确定相关牌号的球墨铸铁需含石墨球的数量
在上述实验和分析的基础上，确定相关牌号的球墨铸铁所需要的石墨球数量的范围、球化率和球化级别等。
6）设计出满足性能条件的最佳的工艺方案
2、技术路线
三、人员情况及工作计划
为保证该项目的顺利实施河北工业大学先进金属材料课题组将成立专项小组对项目进行系统的可行性分析、总体方案设计、具体实验操作与理论分析，力求达到勤威（天津）工业有限公司提出的目标。人员配置及初步工作计划如下：
1、专项小组人员
组长：赵维民 教授、博士生导师、材料科学与工程领域后备院士、天津铸锻行业协会副会长
成员：丁俭（博士，副教授）、夏兴川（博士，助理研究员）、张赞（博士研
究生）、王晶（博士研究生）、姜庆（硕士研究生）、陈旭（硕士研究生）、冯俊龙（硕士研究生）、邱传荣（硕士研究生）、梁鑫（硕士研究生）
2、时间安排及初步工作计划
2014.11-2015.02：查阅文献资料、工艺方案的初步设计及论证；
2015.03-2015.07：初步实验及结果分析、方案优化设计及论证；
2015.08-2015.10：优化结果与设计目标对比；
2015.11-2015.12：项目总结及数据结果标准化；
四、初步研究目标
1、设计最优的制备不同石墨球数球铸的工艺方案，满足不同产品的力学性能要求，并严格控制生产成本；
2、量化石墨球数与不同牌号球墨铸铁力学性能之间的关系；
3、力求建立以石墨球数为基础的球墨铸铁相关行业标准。
五、研究开发经费
项目总经费35万元人民币（其中勤威工业有限公司提供的场地、设备、验证、和部分原材料发生的费用不计在内）。具体预算如下：
经 费 预 算 |
科 目 | 总预算经费 | 计算依据与说明 |
一．研究经费 | 25.57 | |
1.科研业务费 | 14 | |
（1）测试/计算/分析费 | 5.0 | XRD、SEM、力学性能等检测和测试等 |
（2）能源动力费 | 3.0 | 水电等能源消耗 |
（3）会议费/差旅费 | 2.0 | 国内学术会议及实验合作差旅费 |
（4）出版物/文献/信息传播费 | 4.0 | 论文版面费、专利申请与维护费，资料查新费等 |
2. 实验材料费 | 8.57 | |
（1）原材料/试剂/药品购置费 | 8.57 | 购买实验所需的金属材料、孕育剂、球化剂等 |
（2）其它（请注明） | 0.0 | |
3.仪器设备费 | 0.0 | |
（1）购置 | 0.0 | |
（2）试制 | 0.0 | |
4.实验室改装费 | 0.0 | |
5.协作费 | 3.0 | 实验表征、检测方面协作费 |
二、国际合作经费 | 0.0 | |
三.劳务费 | 7.68 | 参研5硕士、2博士,。硕士每人月800元，博士每人月1200元。 劳务费=800x5x12+1200x2x12=7.68万元 |
四.管理费 | 1.75 | 管理费 = 总经费x5% = 35x5% = 1.75 |
合 计 | 35 | |
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