灰鑄鐵是歷史悠久的鑄造合金。人類掌握灰鑄鐵件的生產(chǎn)技術(shù)，就是文明發(fā)展過程中“鐵器時(shí)代”的開始，迄今已將近三千年了。正是由于灰鑄鐵件生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，才出現(xiàn)了蒸汽機(jī)和多種產(chǎn)業(yè)機(jī)械，從而推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)革命。特別應(yīng)該提到的是：世界上最早掌握鑄鐵技術(shù)的是我們中國人，西方進(jìn)入鐵器時(shí)代大約比我們晚兩千年左右，是在元代進(jìn)軍歐洲時(shí)，由我國的隨軍工匠傳授給他們的。

　　球墨鑄鐵于上世紀(jì)四十年代問世，由于其具有多種優(yōu)良的性能，近幾十年來生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)用范圍都發(fā)展很快。

　　上世紀(jì)五十年代后期，蠕墨鑄鐵問世，其性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，特別適用于一些經(jīng)受熱循環(huán)載荷的鑄件，如內(nèi)燃機(jī)排氣管、柴油機(jī)缸體、缸蓋、鋼錠模和玻璃模具等。近年來，其應(yīng)用日益受到廣泛的關(guān)注。

　　當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種高性能的鑄造合金不斷開發(fā)和推廣應(yīng)用，尤其是各種輕合金鑄件的應(yīng)用發(fā)展很快，但是，由于組織中含石墨的鑄鐵具有多種優(yōu)越的性能，在當(dāng)前的技術(shù)條件下，仍然是用量最大、最重要的鑄造合金。

　　就每年公布鑄件產(chǎn)量的各國而言，每年世界鑄件總產(chǎn)量中，灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件的產(chǎn)量都占鑄件總產(chǎn)量的70％以上。按2013年的統(tǒng)計(jì)，各主要工業(yè)國和鑄件生產(chǎn)大國中，俄羅斯、德國、法國、印度、日本和中國，灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件的產(chǎn)量都占鑄件總產(chǎn)量的70％以上，只有美國（65.4％）和英國（64.1％）略低于70％。

　　這里所談到的、與控制冷卻工藝相關(guān)的，都是組織中含游離石墨的各種鑄鐵，包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵，不涉及組織中不含游離石墨的其他多種鑄鐵。為方便起見，這里簡稱為“石墨鑄鐵”，其含義就是組織中含游離石墨的鑄鐵。

　　石墨鑄鐵的歷史悠久、應(yīng)用的范圍寬廣、用量又非常之大，這當(dāng)然要?dú)w功于各國鑄造業(yè)界長期以來持續(xù)不斷地進(jìn)行了大量研究工作，但是，盡管經(jīng)歷了近三千年的應(yīng)用和發(fā)展，迄今為止，我們對它的認(rèn)識(shí)仍然是非常淺薄的，其潛在的功能遠(yuǎn)沒有充分發(fā)揮，研究、開發(fā)的空間仍然非常廣闊。

　　石墨鑄鐵件凝固以后的冷卻條件，對材質(zhì)的性能和鑄件的質(zhì)量都有重要的影響，但是，在這方面，此前是很難控制的。

　　近年來，檢測方法、模擬技術(shù)和監(jiān)控手段等方面發(fā)展迅猛，其應(yīng)用日益廣泛，在此基礎(chǔ)上，一些工業(yè)國家開始意識(shí)到，對于石墨鑄鐵，如果：先按按其成分和對材質(zhì)要求繪出相應(yīng)的冷卻曲線，連續(xù)冷卻變態(tài)曲線（CCT曲線）或等溫變態(tài)曲線（TTT曲線）；再根據(jù)鑄件凝固后的冷卻條件，實(shí)際測定冷卻過程中各部位溫度的變化；然后，采用可控的冷卻方式，使鑄件各部位按設(shè)定的冷卻速率冷卻。處理得當(dāng)，就可以得到以下一些令人矚目的效果：

◇ 可以使鑄件冷卻過程中各部位的溫差很小，這樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚差別較大的鑄件也不需要消除內(nèi)應(yīng)力的退火；

◇ 生產(chǎn)灰鑄鐵件，不必加入Cu、Sn之類的合金元素，即可使基體組織全部為珠光體，并提高其強(qiáng)度；

◇ 生產(chǎn)球墨鑄鐵件，無須采用后續(xù)熱處理即可使其基體組織符合要求；

◇ 生產(chǎn)ADI鑄件，不必進(jìn)行等溫淬火就可得到奧鐵體（ausferrite）基體組織。

　　實(shí)施這項(xiàng)工藝，涉及的問題很多，過程也相當(dāng)復(fù)雜，但卻有節(jié)能、減排、省資源和提高工效等多方面的優(yōu)點(diǎn)，因此，提出后不久就受到了廣泛的關(guān)注，目前，我們暫稱之為“控制冷卻（engineered cooling）工藝”。

　　上世紀(jì)八十年代，美國Janowak, J. F. 和Gundlach, R. B. 就對ADI鑄件的熱處理進(jìn)行了有創(chuàng)意的研究，探討在鑄造廠用控制冷卻的方法替代等溫淬火的可行性。當(dāng)時(shí)還沒有“engineered cooling”這一新詞，他們用的是“Controlled Cooling”。

　　幾年前，日本洋馬鑄造技術(shù)公司（ャンマ－キャステクノ株式會(huì)社）將這項(xiàng)工藝用于生產(chǎn)灰鑄鐵大型柴油機(jī)缸體鑄件［1］，取得了縮短生產(chǎn)周期、提高材質(zhì)強(qiáng)度和免除鑄件消除內(nèi)應(yīng)力的退火等多方面的效益，獲得了日本專利（專利號5416515）。

　　不久后，美國鑄造協(xié)會(huì)（AFS）與Missouri科技大學(xué)合作開展了一項(xiàng)研究工作，課題是“采用控制冷卻工藝生產(chǎn)高強(qiáng)度鑄鐵件（High Strength Cast Iron Castings Produced by Engineered Colling）”。這項(xiàng)研究工作由美國鑄造協(xié)會(huì)、Missouri科技大學(xué)、Elkem公司、kohler公司、Dotson鑄鐵公司、Selee公司等單位提供資金支持。研究工作的第一階段是用控制冷卻工藝替代等溫淬火，在鑄態(tài)下制得基體組織為奧鐵體（ausferrite）的球墨鑄鐵。目前，研究工作的第一階段已經(jīng)完成，雖然仍然存在一些問題，實(shí)際用于生產(chǎn)的工藝仍有待進(jìn)一步完善，但已確認(rèn)了這項(xiàng)工藝的可行性［2］，球墨鑄鐵鑄態(tài)下的抗拉強(qiáng)度從原來的550～600MPa，提高到1,000～1,050MPa。

　　最近，在美國Ohio州立大學(xué)和Alabama大學(xué)任職的Stefanescu D. M.與西班牙鑄造行業(yè)的幾位同仁合作，也進(jìn)行了有關(guān)鑄態(tài)奧鐵體球墨鑄鐵方面的研究工作［3］。為了更好地應(yīng)對鑄件壁厚對冷卻條件的影響，提出了按鑄件的模數(shù)調(diào)整落砂溫度和等溫保溫溫度的計(jì)算式。

一、鑄鐵組織的一些特點(diǎn)

　　鑄鐵是以鐵碳合金為基礎(chǔ)的多元合金。在考量鑄鐵件的組織時(shí)，為簡便起見，通常都是參照鐵-碳合金二元相圖，必要時(shí)，再在此基礎(chǔ)上考慮某些主要合金元素的影響。

　　鐵-碳合金二元相圖有二重性，即：包含有穩(wěn)定系和亞穩(wěn)定系兩種。

　　如果按穩(wěn)定系凝固、冷卻，鑄鐵的組織中只含有石墨和鐵素體；如果按亞穩(wěn)定系凝固、冷卻，則組織中只含有滲碳體（Fe3C）和鐵素體，以及由滲碳體和鐵素體構(gòu)成的其他多種組織。

　　實(shí)際生產(chǎn)中，只有生產(chǎn)完全鐵素體球墨鑄鐵件時(shí)，其凝固、冷卻的全過程是按穩(wěn)定系進(jìn)行的。大多數(shù)石墨鑄鐵中，都是穩(wěn)定系組織和亞穩(wěn)定系組織共存的。

　　石墨鑄鐵鑄態(tài)組織的形成可分為兩個(gè)階段：第一階段，鑄鐵共晶轉(zhuǎn)變前析出初生相，再加以共晶轉(zhuǎn)變形成的相，構(gòu)成鑄鐵的初始組織；第二階段，鑄鐵凝固后冷卻的過程中，共晶奧氏體中溶解的碳量隨溫度的下降而降低，脫溶的碳，向附近的石墨擴(kuò)散，繼之以隨后的共析轉(zhuǎn)變，形成最終組織。

1、初始組織

　　石墨鑄鐵凝固后形成的初始組織包括：石墨的形態(tài)、數(shù)量、尺寸和分布狀況，初生奧氏體、共晶奧氏體的數(shù)量和形態(tài)，共晶團(tuán)的數(shù)量，以及晶界處的最終凝固相。

　　石墨鑄鐵是歷史悠久的鑄造合金，長期以來，鑄造行業(yè)的前輩們一直都非常關(guān)注其冶金技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，各工業(yè)國家在這方面探索、研究工作從來就沒有間斷過。正是因?yàn)槿绱耍攀刮覀儗κ?a class="keyword_link" target="_blank">鑄鐵的認(rèn)知能夠不斷深化；作為最重要的鑄造合金，才能夠與時(shí)俱進(jìn)、歷久彌新。目前，對于其初始組織，我們已經(jīng)掌握很多有效的控制的工藝，主要如：

◇ 優(yōu)化碳、硅含量和碳當(dāng)量，控制初始組織中奧氏體和石墨的含量；

◇ 在研究高溫過熱和高溫靜置對石墨化影響的基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)對熔煉溫度、靜置時(shí)間和澆注溫度的優(yōu)化；

◇ 采用并逐步優(yōu)化預(yù)處理、孕育處理、和控制硫/錳含量等工藝，促進(jìn)石墨的生核；

◇ 開發(fā)了多種控制石墨形態(tài)的工藝技術(shù)，如球化工藝、蠕化工藝和形成珊瑚狀石墨的技術(shù)；

◇ 近年來，注意到灰鑄鐵中奧氏體枝晶對鑄鐵性能的影響，研究了多種促進(jìn)奧氏體生核的工藝，由增加奧氏體枝晶的含量提高灰鑄鐵的強(qiáng)度；

◇ 通過對最終凝固相的深入研究，進(jìn)一步優(yōu)化鑄鐵成分的控制；

◇ 采用過濾技術(shù)，提高鐵液的清潔度；

◇ 優(yōu)化澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，力求使鐵液以平流的方式充型，避免因澆注過程中卷入折疊的氧化膜（bi-films）而造成各種鑄造缺陷。

2、共晶轉(zhuǎn)變后冷卻過程中和共析轉(zhuǎn)變形成的最終組織

　　石墨鑄鐵中碳、硅含量都相當(dāng)高，而且工藝方面又采取了多種促進(jìn)石墨化的措施，共晶轉(zhuǎn)變都是按穩(wěn)定系進(jìn)行的，轉(zhuǎn)變過程中不析出滲碳體。但是，在共晶轉(zhuǎn)變以后的冷卻過程和共析轉(zhuǎn)變的過程中，組織變化的情況卻是非常復(fù)雜的。

　　石墨鑄鐵中的碳含量很高，因而，共晶轉(zhuǎn)變析出的奧氏體中碳含量很高，在此后的冷卻過程中碳在奧氏體中的溶解度逐步降低。共析轉(zhuǎn)變以前，鑄鐵的溫度還比較高，原子的擴(kuò)散比較方便，而且，脫溶的碳量也不多，在組織中只有石墨、沒有滲碳體的條件下，脫溶的碳不可能重新形核、析出，只能向附近的石墨擴(kuò)散。影響最終組織主要是共析轉(zhuǎn)變。

　　石墨鑄鐵共析轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度已相當(dāng)?shù)?，原子的擴(kuò)散緩慢，轉(zhuǎn)變速度遠(yuǎn)低于共晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變時(shí)的過冷度很大。在這種條件下，脫溶碳的擴(kuò)散受到制約，來不及轉(zhuǎn)移到共晶轉(zhuǎn)變析出的石墨上，就只能按亞穩(wěn)定系轉(zhuǎn)變、形成滲碳體了。因此，除完全鐵素體組織的球墨鑄鐵外，各種石墨鑄鐵的最終組織中，實(shí)際上都是穩(wěn)定系和亞穩(wěn)定系并存的，既有石墨和鐵素體，也有滲碳體。組織中鐵素體、滲碳體的份量，以及二者混配的狀態(tài)是決定鑄鐵力學(xué)性能的主要因素。此外，在特殊的冷卻條件下，還可以形成奧鐵體組織。

　　石墨鑄鐵最終組織中鐵素體、滲碳體的份量，及其混配狀態(tài)，取決于鑄鐵的化學(xué)成分和鑄件各部位的實(shí)際冷卻速率，因?yàn)檫@兩項(xiàng)因素都對碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度有很大的影響。

　　此前，由于檢測手段和控制技術(shù)方面的制約，我們既難以切實(shí)了解鑄件冷卻過程中各部位溫度變化的情形和各部位的冷卻速率，更沒有辦法控制鑄件各部位的冷卻速率、從而使鑄件本體材質(zhì)符合預(yù)期的要求。因此，關(guān)于鑄件凝固后冷卻條件對其性能的影響，我們實(shí)際上無能為力，只能聽其自然。對鑄鐵最終組織的控制，只能借助于加入各種合金元素、控制其化學(xué)成分。

　　但是，只靠加入合金元素、調(diào)整成分控制鑄鐵的最終組織有一些重大的局限性，實(shí)屬無奈之舉。

　　首先是提高生產(chǎn)成本，耗用珍貴的資源；

　　其次是無助于消除鑄件冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；

　　最重要的是，加入合金元素提高鑄鐵鑄態(tài)下的強(qiáng)度是有限的，欲使其具有更高的強(qiáng)度，往往還需要增加后續(xù)的熱處理工序，不僅耗能、費(fèi)力，提高生產(chǎn)成本，而且延長生產(chǎn)周期。

　　“控制冷卻”的概念，就是針對這種實(shí)際問題逐步推出的。

二、日本洋馬公司的用例

　　日本洋馬公司松江事業(yè)部的主要產(chǎn)品是大型柴油機(jī)的缸體、缸蓋，包括鑄造和機(jī)械加工全過程，鑄件材質(zhì)為灰鑄鐵，主要產(chǎn)品缸體的單件重3～8t不等。

　　按原來的生產(chǎn)工藝，從澆注后到脫箱（使砂型自砂箱中脫出），大約需要冷卻40～85h。

　　由于裝缸套部位與曲軸箱殼部位的壁厚差別較大，而且，薄壁的曲軸箱殼部位又接近于鑄型的外表，冷卻快，因此，冷卻過程中，兩部位之間的溫度差大，落砂后的鑄件中存在較大的內(nèi)應(yīng)力，必須進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力的退火處理。

　　完成這兩項(xiàng)工序所需的時(shí)間，約占產(chǎn)品生產(chǎn)周期的40％。

　　生產(chǎn)周期長還導(dǎo)致在制品數(shù)量大、備用砂箱的數(shù)量多、占用的生產(chǎn)面積大等諸多問題。

　　為了縮短生產(chǎn)周期、減少在制品數(shù)量和降低生產(chǎn)成本，公司決定，以縮短自澆注到脫箱的時(shí)間、免去消除內(nèi)應(yīng)力的退火處理為目標(biāo)，開展一項(xiàng)工藝試驗(yàn)研究工作。

1、工藝改進(jìn)的方案

　　為了縮短自澆注到脫箱的時(shí)間，必須在鑄件凝固后加強(qiáng)冷卻，提高其總體冷卻速率。

　　為了免去消除內(nèi)應(yīng)力的退火處理，必須在鑄件凝固后冷卻過程中保持各部位的溫度均勻。

　　通常，鑄件在鑄型內(nèi)冷卻，都是由表及里的。鑄型外表部位的溫度低、鑄型內(nèi)部的溫度高，這是大家所熟知的，但是，差別究竟有多大？由于影響的因素太多，就誰也說不準(zhǔn)了。要對其有切實(shí)的了解，必須就目標(biāo)鑄件和實(shí)際工藝條件進(jìn)行測定。

　　洋馬公司就重7t的缸體所作的測定表明：澆注后60h，接近鑄型外表的曲軸箱殼部位溫度已降到70℃；處于鑄型中部的、裝缸套部位下端的厚壁部位，溫度仍保持在440℃左右。其間的溫差相當(dāng)大。

很明顯，自鑄型的外表加強(qiáng)冷卻是不可行的。首先，采用這種方式會(huì)導(dǎo)致鑄件內(nèi)、外部的溫差增大，不但不能消除內(nèi)應(yīng)力，而且會(huì)使情況進(jìn)一步惡化；再就是鑄型外表的溫度低，自外表加強(qiáng)冷卻的效率很低。因此，加強(qiáng)冷卻只能從內(nèi)部著手。

　　在冷卻介質(zhì)的選擇方面，也有一番考慮。往芯子內(nèi)部吹冷空氣，雖然很安全，但冷卻效率低，需要吹入大量冷空氣。

　　水的蒸發(fā)潛熱很大，為2260 kJ/kg。利用水的蒸發(fā)降溫，效果很好，往芯子內(nèi)部注入少量的水，就可以吸收大量的熱量，獲得很好的降溫效果。

　　基于上述考慮，確定了自芯子內(nèi)部注水、加強(qiáng)冷卻的方案。為了確保生產(chǎn)安全，必須在鑄件完全凝固以后注水。

2、冷卻方法

　　大型柴油機(jī)缸體的內(nèi)腔，由多個(gè)芯子組合形成。每一缸筒部位都有一個(gè)裝缸套部位與曲軸箱殼部位聯(lián)成一體的芯子。每個(gè)芯子中都裝有管壁鉆有很多小孔的φ100鋼管，聯(lián)通到鑄型的外面，兼有芯骨和排氣通道的作用。

　　最終采用的冷卻方法是：在每一芯子的排氣鋼管中裝入軟管。鑄件凝固后，通過軟管向芯子的各部位注水。蒸發(fā)的水蒸汽也由φ100鋼管排出。

　　根據(jù)各部位的溫度，實(shí)時(shí)調(diào)定每一軟管注水的流量，以確保鑄件各部位的溫度均勻。每一軟管管路中都裝有流量計(jì)和控制閥，由可編程序控制器自動(dòng)控制。

3、效果

　　洋馬公司實(shí)施初步的控制冷卻工藝后，取得了很好的效果，如：

◇ 鑄件凝固后的平均冷卻速率，從原來的5.7℃/h提高到16℃/h；

◇ 鑄件冷卻到500℃所需的時(shí)間，由原來的46h縮短到18h；

◇ 由于鑄件冷卻過程中各部位的溫差小，鑄件內(nèi)的殘留應(yīng)力很小，可免去消除內(nèi)應(yīng)力的退火處理。采用控制冷卻工藝后，鑄態(tài)鑄件各部位殘留應(yīng)力測定值的平均值，還略低于原來經(jīng)消除內(nèi)應(yīng)力退火的鑄件；

◇ 鑄態(tài)鑄件各部位的本體強(qiáng)度均高于原來經(jīng)消除內(nèi)應(yīng)力退火的鑄件，各部位抗拉強(qiáng)度的平均值大約提高15MPa；

◇ 在顯微組織方面，石墨的形態(tài)、數(shù)量和尺寸都與原來經(jīng)消除內(nèi)應(yīng)力退火的鑄件相同，但基體組織中鐵素體的含量更少，因而，強(qiáng)度和硬度都較高。

三、美國鑄造協(xié)會(huì)（AFS）與Missouri科技大學(xué)合作進(jìn)行的研究工作

　　關(guān)于這項(xiàng)研究課題的建立，前面已經(jīng)作了簡短的說明，這里，扼要介紹一下這項(xiàng)研究工作第一階段的一些情況。

　　這項(xiàng)研究工作，是針對各種石墨鑄鐵而建立的，可是，其實(shí)施的順序卻不因襲先易后難、循序漸進(jìn)的傳統(tǒng)慣例，第一階段工作的目標(biāo)就是攻堅(jiān)克難，針對等溫淬火球墨鑄鐵（ADI），研究用‘控制冷卻’替代‘等溫淬火’的可行性。

　　大家都知道，等溫淬火球墨鑄鐵具有多種優(yōu)異的性能，而制約其廣泛應(yīng)用的主要因素就是‘等溫淬火’的工藝過程復(fù)雜、熱處理設(shè)備價(jià)格昂貴、能耗大。如果能免除‘等溫淬火’，則其對鑄造行業(yè)的影響將是不可忽視的。

　　順便要說明的是：如果免除了‘等溫淬火’，就不能再用“等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）”這一名詞了，因此，在這里，都按其基體組織稱之為“奧鐵體球墨鑄鐵（ausferritic ductile iron）。”

1、用控制冷卻的方式進(jìn)行試驗(yàn)性的模擬

　　為了模擬各種控制冷卻方式的作用，研制了一套熱模擬裝置?？梢詫⒃嚇蛹訜岬揭蟮臏囟龋S之使其按要求的冷卻速率冷卻。然后，根據(jù)試樣的顯微組織，就可以求得該材質(zhì)的連續(xù)冷卻曲線（CCT曲線）和等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT曲線）。

　　加熱設(shè)施  用計(jì)算機(jī)控制的高功率直流電源加熱，同時(shí)，用焊在熱區(qū)的熱電偶和高精度紅外線光學(xué)高溫計(jì)測定溫度。

　　冷卻設(shè)施  用比例電磁閥控制、吹射壓縮空氣。

　　試樣  用化學(xué)成分與目標(biāo)材質(zhì)相近的、實(shí)際生產(chǎn)中的球墨鑄鐵(C 3.77%，Si 2.33％，Mn 0.47％，Cu 0.39％)制造，先鑄造150×200×25㎜的板狀鑄件，再用以截取、加工成50×6.2×3.5㎜的試樣。

　　由于試樣的熱慣性小，用上述加熱、冷卻設(shè)施，可以做到：以80 ℃/s以下的任何加熱速率加熱；以80 ℃/s以下的任何冷卻速率冷卻。

　　連續(xù)冷卻的工藝是，將試樣加熱到920℃，再以不同的冷卻速率冷卻到室溫，在此條件下：

　　冷卻速率在2 ℃/s以下，提高冷卻速率會(huì)導(dǎo)致珠光體的數(shù)量增多、硬度增高；

　　冷卻速率在2～10 ℃/s之間，提高冷卻速率，就會(huì)因形成馬氏體而致硬度顯著提高。試驗(yàn)的結(jié)果表明，太高的冷卻速率會(huì)導(dǎo)致不希望其產(chǎn)生的馬氏體轉(zhuǎn)變。

　　等溫處理工藝是，將試樣加熱到920℃，再以不同的冷卻速率冷卻到380℃，在此溫度保溫10～30min，然后快速冷卻到室溫。在380℃保溫25min，形成奧鐵體的過程就可以完成。自920℃冷卻時(shí)的情況是：

　　只要冷卻速率在2 ℃/s以上，就會(huì)在枝晶間形成部分奧鐵體；冷卻速率為5 ℃/s，形成奧鐵體和細(xì)小珠光體的混合組織；

　　冷卻速率為10 ℃/s，基體組織為奧鐵體，但石墨球周圍有局部珠光體小團(tuán)。

　　還要指出的是，如果延長在920℃下保溫的時(shí)間，會(huì)使奧氏體中的碳含量飽和，而且分布均勻，就有提高過冷奧氏體穩(wěn)定性的作用，可以使鑄鐵組織中奧鐵體的含量增多。

2、控制冷卻方案的設(shè)定

　　通過試驗(yàn)，并采用流體動(dòng)態(tài)模擬方法，設(shè)定鑄件控制冷卻的方案。

　　這一階段的試驗(yàn)中，不用小型試樣，而用接近實(shí)際鑄件的150×200×25㎜的板狀鑄件。試驗(yàn)中要考慮3種變數(shù)：一是冷卻速率；二是鑄件壁中的溫度梯度；三是表面溫度。

　　根據(jù)前一階段試驗(yàn)的結(jié)果，目標(biāo)冷卻速率定在2 ℃/s以上。

　　為了使鑄件各部位的組織一致，且避免因溫差而導(dǎo)致的熱應(yīng)力，應(yīng)盡可能地使鑄件中的溫度梯度減至最小。

　　為避免產(chǎn)生馬氏體組織，冷卻過程中，鑄件表面的溫度應(yīng)保持在馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）以上。

　　試驗(yàn)中，不同冷卻方法對150×200×25㎜板狀鑄件各部位溫度狀況的影響，用流體動(dòng)態(tài)模擬（FLUENT軟件）進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測的部位包括：鑄件的心部，鑄件大表面的中部，以及板狀鑄件的邊角部。

　　試驗(yàn)的結(jié)果表明：對25㎜厚的鑄件而言，在空氣中冷卻、吹空氣冷卻，都不能達(dá)到使鑄件具有奧鐵體組織的冷卻速率；大量噴水冷卻可以有很高的冷卻速率，但鑄件內(nèi)的溫度梯度很大，而且鑄件表面溫度很快就降到Ms溫度以下。

　　為了使冷卻條件符合要求，設(shè)計(jì)了一種計(jì)算機(jī)輔助的控制冷卻方法。采用既可以噴射空氣、也可以噴水的廣角噴霧器，其冷卻強(qiáng)度是可控的。模擬中，由表面溫度的反饋控制冷卻。用這種模擬方法，可得到要求的冷卻速率，鑄件內(nèi)的溫度梯度很小，而且表面溫度可以不低于要求的值。

3、控制冷卻方案的確認(rèn)

　　確認(rèn)工作也是在試驗(yàn)室進(jìn)行的。用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵100磅，經(jīng)球化和孕育處理后，主要成分是：C 3.65％，Si 2.36％，Mn 0.55％，Cu 0.55％。

　　試驗(yàn)所用的樣件，仍然是150×200×25㎜板狀鑄件，立澆，上方置頂冒口。用自硬砂造型，每型1件，共澆注4件。澆注時(shí)，直接自頂冒口注入鐵液。

　　其中2件，澆注后按常規(guī)作業(yè)方式冷卻，供參照用。

　　另外2件，鑄件凝固后及早落砂（按：落砂溫度的上限是固相線以下50℃，下限是共析轉(zhuǎn)變溫度以上50℃），然后立即將其置冷卻裝置中按控制冷卻工藝?yán)鋮s。

　　按常規(guī)方式冷卻的鑄件，基體組織以層片狀珠光體為主，有10%～15%的鐵素體，抗拉強(qiáng)度550～600MPa，伸長率8％。

　　控制冷卻的鑄件，基體組織為奧鐵體和細(xì)小的珠光體，抗拉強(qiáng)度1000～1050MPa，伸長率4％。

4、小結(jié)

　　這項(xiàng)研究課題第一階段工作的目的，就是要確認(rèn)控制冷卻這一概念的可行性。從初步的試驗(yàn)結(jié)果看來，采用控制冷卻工藝，可以制得鑄態(tài)下基體組織為奧鐵體的球墨鑄鐵件，雖然組織中仍存在少量珠光體，一些問題還有待進(jìn)一步深入研究、探討，但總體而言，這一工藝的效果是很好的。

　　研究工作的第二階段，還將針對各種低合金石墨鑄鐵、不加合金的石墨鑄鐵，研究控制冷卻工藝對不同壁厚鑄件組織的影響。

　　當(dāng)然，將這一工藝用于實(shí)際生產(chǎn)，還有很多難題有待解決，包括就每一特定的生產(chǎn)條件設(shè)計(jì)適用的的設(shè)備。如果我們通過實(shí)踐逐步增強(qiáng)對這一工藝的認(rèn)知，存在的問題逐一得到妥善的解決，工藝也就會(huì)隨之不斷優(yōu)化，這樣，當(dāng)然會(huì)有助于鑄造行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。