美国铸造协会（AFS）研究项目研究了冶金因素如何影响球墨铸铁件中微缩孔的形成。DR.SIMONL.LEKAKHANDMICHAELKYAHAT
防止球墨铸铁件中的微缩孔可提高疲劳寿命；然而，目前还没有标准的铸造实践能够促进或消除零星出现的微缩孔。虽然个别变量对微缩孔率的影响已被深入研究，但这些报告中缺少多个因素的相互作用及其联合效应。美国铸造协会（AFS）的一个研究项目旨在对影响球墨铸铁微缩孔的重要冶金因素进行综合评估。
要研究的因素被分为几个组（图1）。碳当量（CE）、炉料品质、预处理、球化处理和孕育处理是金属液质量的一组因素。浇注组因素包括浇注温度和模具中金属液流动的特性。最后，第三组包括与铸件凝固（铸件几何形状、冷却速度、热梯度）和铸件/模具相互作用（模具刚度、机械性能、变形）相关的因素。
图1。阴影部分显示了影响球墨铸铁件中微缩孔的因素。
这些因素的组合通过不同的机制影响微缩孔的形成：
在糊状区域形成负压。
限制凝固前沿的液体不足以补偿收缩。
微缩孔隙可通过气泡和截留的薄膜形成核。
试验设计（DOE）测试矩阵包括两个级别的五个变量：熔体质量（含和不含SiC）、球化剂成分（低稀土材料与高稀土材料）、孕育剂成分（铸造级FeSi与含Ce孕育剂）、孕育剂添加量（0.3%和0.6%），和浇注温度（低[-C]与高[-C]）。根据DOE矩阵进行了四次实验加热，每次加热的冶金参数有四种变化。每个模具都有一个圆锥体来研究收缩总量，还有一个带有垂直圆柱体的水平板，用阿基米德密度法、金相、电子显微镜（SEM）、光学轮廓仪和高分辨率3DCT扫描来研究微缩孔。MiniTab软件用于统计分析所研究的冶金参数对微缩孔和微观结构的单独和联合影响。
实验结果
图2a显示了使用不同方法从不同热量的试样中获得的微缩孔数据。与通过密度测量获得的孔隙度（高达20%）相比，CT扫描显示出更大的孔隙度体积（高达30%），因为使用CT扫描仅分析中心位置的孔隙度。CT扫描结果与直径为10mm的机加工销钉的测量密度相关（R=0.96）。
从提取的试样的整个体积的密度中获得的孔隙度与从中心垂直抛光部分获得的2D方法的比较也显示出合理的相关性（图2b，c），而绝对值不具有可比性。这些结果表明，只有高分辨率CT扫描提供了孔隙度体积的绝对值，而其他扫描仅提供了相关数据，具体取决于样本体积。对于固定体积的试样，密度法提供了足够的数据进行比较，该方法用于分析DOE测试矩阵。
图2。比较了使用不同方法测量的微缩孔率：CT扫描与密度（a）、密度与3D光学显微镜（b）以及2D垂直剖面中的光学成像（c）。
使用专用统计分析软件评估了从16个实验铸件的提取的试样密度获得的孔隙度值。标准化效应的正态概率图用于阐明可变效应的意义（图3）。
图3。标准化效应的正态概率图阐明了每个变量的重要性。
获得的孔隙度模型（方程式1）显示了单个冶金参数的统计效应：
（A）由负责的碳化硅添加剂控制的金属质量；SiC=1（无）和SiC=2（含0.7%）
（B-强）球化剂成分：RE=1（低RE）和RE=2（高RE）
（C-弱）孕育剂成分：IN=1（FeSi）和IN=2（含Ce）
（D-强）孕育剂添加量：Per=1（0.3%）和Per=2（0.6%）
（E–强）浇注温度：T=1（低T）和T=2（高T）
以及：（AB-强SiC*RE），（AE-强SiC*T）和（CD-强SiC*Per）之间的联合效应。
P=23.68-4.85SiC-11.31RE-4.73IN-6.55Per+6.20T+5.96SiC*RE-3.18SiC*T+3.13IN*Per（1）
将实验孔隙度值与模型（等式1）进行拟合，R=0.92（图4）。
图4。绘制实验值以进行比较。
单个冶金变量的拟合平均值表明，通过在炉料中添加SiC、使用高稀土球化剂、增加孕育剂的百分比和降低浇注温度，孔隙率降低，而对孕育剂成分的单独影响较弱（图5）。孕育剂成分（铸造级FeSivsCe轴承）的作用取决于其他变量（图6）：在用高稀土球化剂处理的熔体中大量添加FeSi时，FeSi更有效，而少量添加Ce轴承孕育剂足以降低孔隙率。
根据公式1计算的孔隙度计数器图如图7所示，每两对变量位于其他变量的中间水平。
图5。拟合的平均图表明，通过在炉料中添加SiC、使用高稀土球化剂、增加孕育剂的百分比和降低浇注温度，孔隙率降低。
图6。孕育剂成分的作用取决于其他变量，如该平均相互作用图所示。
图7。计数器图显示了冶金值对孔隙度的影响（Y轴第一变量和X轴第二变量列在每个图的顶部）。
一般来说，当在炉料中使用SiC时，观察到的孔隙率较低，金属液用含有大量孕育剂的高稀土球化剂处理，并在较低温度下浇注。联合效应分析表明，高稀土球化剂不需要在炉料中加入SiC，需要少量添加含铈孕育剂以获得较小的孔隙率。此外，在高熔体质量和较大孕育剂添加量下，孔隙率对浇注温度不太敏感。高稀土球化剂与含铈孕育剂的组合降低了孔隙率；然而，与孕育剂中的铈效应相比，高稀土球化剂中的镧效应更强。
结论
球墨铸铁（SGI）件中的微缩孔受凝固条件的影响，并取决于冶金参数、冷却速度和铸件/模具的相互作用。众所周知，低密度石墨相在共晶反应中的析出降低了球墨铸铁的总凝固收缩率。控制石墨共晶凝固动力学是消除收缩微缩孔的有效途径。图8支持已发表的数据，即球墨数是一个重要因素，增加球墨数会降低所研究铸件中的微缩孔。
图8。图中显示了从实验铸件中提取的试样中，球墨数量对测量孔隙度的影响。
将实验铸件中的微缩孔与在圆锥体中测量的总收缩体积进行比较。结果（图9）表明，总收缩率和微缩孔率的相关性较弱，因为它们受不同的因素控制，并且基于不同的物理机制。
转自《ModernCasting》
皇广设计服务部翻译
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