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1、第3期水利电力机械 23 专题述评 冷却速度及锰 铜含量 对铸态球铁硬度影响的探讨 Probe the Influence into Cooling Speed 相反 冷却 速度很快 就能限制或者完全避免铁素体形成 图1 含Si 2 的Fe C Si平衡图 2 试验方法 使用电熔化低Mn生铁 铸造铁合金和石 墨放入熔量为45kg的氧化镁炉衬感应电炉中 进行熔化 在1570 时把铁水冲入含有0 1 Mg 以Mg FeSi合金形式加入 5 的铁水包 中进行球化处理 并用含0 6 Si 以75Si Fe 合金 加入进行孕育处理 在1425 高 温下把 处理过的铁水浇到 25 300mm干型样品中 并
2、把用石英外壳保护的铬镍 铅镍热电偶放到 每个样品型腔中心以观察样品中心部位的温度 变化 球铁样品分别在955 845 730 620 和170 落砂 合金的化学分析结果如 表1所示 表1 合金的化学成分 合金 序号 CSiMnCuMgS 13 772 690 360 044 0 015 23 762 550 950 040 0 015 33 672 571 200 036 0 015 43 752 640 390 180 039 0 015 53 892 520 410 310 040 0 95 时 对球铁硬度影响不明显 把0 18 Cu加入到含有0 39 Mn的球铁中 在高于转 变温度落砂时
3、 球铁硬度增加 在低于转变温度 落砂时 并不影响球铁硬度 当Cu增加到 0 31 时 在所有温度下落砂 都能增加球铁硬 度 Cu比Mn的作用更明显 因为Cu具有细 化珠光体晶粒的作用 含有Cu的球铁对冷却 速度敏感性较小 又能保持珠光体的稳定性 3 3 冷却速度对珠光体含量的影响 各种合金球铁的珠光体含量与落砂温度的 关系见图4 图4 含有Mn和Cu的球铁珠光体数量与落砂温度间 的关系 所有成分的球铁样品在铸铁中冷却并通过 转变温度范围 球铁珠光体含量变化不大 而在 845 以上温度落砂 珠光体含量可获得最大 值 在任何温度下落砂 加入0 36 0 95Mn的球铁 珠光体含量大大增加 再高的
4、Mn的加入量对珠光体含量无明显的影响 加入0 31 Cu的球铁 在低于转变温度 下落砂 可增加珠光体含量 在高于转变温度下 落砂 Cu的作用减小 并且加入0 18 Cu与加 0 31 u的球铁 其珠光体含量几乎相等 这是 因为球铁样品中珠光体含量受到合金化作用和 冷却速度双重影响 图4的数据说明 低的 Mn和Cu的加入量 冷却速度在形成珠光体含 量中起决定作用 当Mn和Cu含量增加时 冷 却速度影响就减弱 而合金化的作用占优势 珠光体含量与Mn和Cu加入量之间的函 数关系如图5所示 它指出了在620 和 955 落砂的球铁样品 冷却速度在珠光体形成 中起积极的作用 并随着Mn和Cu加入量增加
5、而减小 总量为0 9 的Mn和Cu的加入 珠 光体含量达到了饱和状态 然而在低于饱和状 态时 Mn和Cu的作用均使得珠光体含量增 加 因为在620 和955 落砂的球铁样品珠光 体含量与合金含量几乎成直线关系变化 但 52 第3期 水利电力机械 图5 955 和620 空冷球铁样品珠光体数量与 Mn Cu含量间的关系 是 Mn和Cu的加入使珠光体处在饱和状态时 冷却速度对珠光体含量并无什么影响 3 4 珠光体含量对球铁硬度的影响 合金球铁微观组织珠光体含量增加 其布 氏硬度也随之增加 如图6所示 不论合金含 量如何 珠光体含量是影响球铁硬度的重要因 素 珠光体大的分散度对合金含量不同的球铁 硬
6、度影响是不同的 但是珠光体含量对它们硬 度影响也是相对重要的 因此 合金的含量不 仅影响到珠光体含量 进而又影响它的硬度 而 且也会影响铁素体 珠光体基体组织的硬度 对于不同成分的球铁 等量的珠光体含量并不 能导致相同的硬度 图6含有Mn Cu球铁布氏硬度与珠光体 数量之间的关系 3 5 Mn和Cu对铁素体和珠光体硬度的影响 成分一定并有较高含量Mn和Cu的合金 球铁 铁素体硬度会持续增加 如图7所示 在 Mn Cu 0 8 时 合金含量 增加 铁素体硬度增加不大 用1 2 Mn加入 球铁可获得铁素体最大硬度 200HV 并能强化 铁素体固溶体 在增加铁素体硬度方面 Cu比 Mn还有另一个作用
7、就是Cu能析出硬化相 但 这个作用比起Mn强化铁素体固溶体的作用要 小 Cu和Mn对球铁珠光体硬度影响见图8 Mn和Cu都能增加球铁珠光体硬度 Cu的作 用更大 冷却速度增加 含有Mn和Cu的球铁 珠光体硬度比只含有Mn的球铁珠光体硬度增 加更快些 合金化的作用是强化了球铁的固溶 体而增加了铁素体和珠光体的硬度及加工硬化 的性能 在这方面 少量的Cu存在于铁素体 和珠光体中而不存于初生相的铁素体中显得更 有意义且有效 但原因尚不清楚 一种可能是 含Cu的球铁珠光体晶粒比仅含Mn的球铁珠 光体晶粒要细 另一种可能是退火影响铁素体 硬度比理论上要大 图7 球铁铁素体硬度与Mn Cu含量间的关系 图
8、8 珠光体硬度与Mn Cu含量间的关系 4 结 论 1 球铁样品在高于转变温度落砂 含有Mn 或者Mn Cu的球铁布氏硬度有明显增加 这个 作用还与通过转变温度的冷却速度有关 下转第29页 62 张北胜 李 刚 冷却速度及锰 铜含量对铸态球铁硬度影响的探讨 1997年6月 为 X r k F X r k m u 1 g u X 2 外点法的特点是可以处理等式约束 搜索 过程应始终保证在约束可行域外 对最优点落 在可行域内的情况不适用 3 混合惩罚函数法 混合惩罚函数法是一种将外点法和内点法 相组合的优化方法 其惩罚函数的形式为 X r k F X r k i I1 1 gi X 1 r k i
9、 I2 gi X u 1 r k p j 1 Pj X v 式中u 1 v 1 其中第二项是初始点满足gi X 0 0 的内 部 惩 罚 项 第 三 项 是 初 始 点 不 满 足 gi X 0 0的外部惩罚项 第四项是具有等 式约束条件的惩罚项 混合惩罚函数法综合了内点法和外点法的 优点 是目前工程优化设计中使用较为普遍的 方法之一 本文根据三种优化方法的特点 决 定选用混合惩罚函数法作为优化方法 3 2 实例计算 1 已知条件 通过初步设计 可求出附图中各参数如下 D 300mm b 130mm d 180mm S 230mm H 1250mm 2 优化结果 通过上述方法建立优化数学模型
10、采用混 合惩罚函数法作为优化方法 代入上述已知条 件可求出设计变量的最优解为 X x1 x2 x3 x4 含 有或 130 880 430 2550关 4 结 论 通过实际计算证明 塔式起重机顶升油缸 位置参数的优化设计方法是可行的 对于顶升 油缸位置参数进行优化设计 可得出以下两点 结论 1 用优化设计法取代了常规的人工作图 法 既改善了设计人员的手段 也提高了设计的 精确性 2 用优化方法设计顶升油缸位置参数 可 改善标准节K字腹杆的受力 参 考 文 献 1 刘之生等编 反求工程技术 北京 机械工业出版 社 1992 2 孙靖民编 机械优化设计 北京 机械工业出版 1990 3 戚昌滋 机
11、械现代设计方法学 北京 中国建筑工业 出版社 1987 收稿日期 1997 03 07 上接第26页 2 珠光体含量与落砂温度 冷却速度 之 间的变化关系类似于布氏硬度与落砂温度之间 的变化关系 3 球铁样品高于转变温度落砂 Mn的含 量从0 95 增加到1 2 或者把Cu的含量从 0 18 提高到0 31 并不能有效地导致珠光 体含量和布氏硬度明显地增加 4 含有Mn Cu的球铁样品比仅含Mn 的球铁样品对冷却速度敏感性要小 5 Cu比Mn更有效地增加珠光体硬度 因为Cu有细化珠光体内部层状间隔的作用 所以 含有Cu Mn的球铁比仅含Mn的球铁 更有效 参 考 文 献 1 朱华栋主编 最新铸造标准实用手册 北京 兵器工 业出版社 1992 2 Transaction of the American foundrymen s society Volume 86 1978 收稿日期 1996 12 20 92 第3期 水利电力机械
