摘要：球墨铸铁件是重要的工程材料，具有高强度低成本等优点，广泛应用于汽车农机及管道工程等许多重要工业部门，由于铸造过程复杂性使其质量存在很多问题。球铁铸件具有模糊凝固的特性，铸件容易产生很大的收缩缺陷，是球铁件生产中难以解决的突出问题。铸件凝固数值模拟是利用计算机技术可视化显示铸造过程的技术手段，可以优化产品结构提高质量，对推动铸造技术进步具有重要作用。介绍球墨铸铁件材料特性，开发铸件缺陷分析系统，分析球铁铸件缩孔产生机理，利用开发系统对铸件模拟验证缩孔预测系统可用。

　　关键词：球墨铸铁,微观组织,数值模拟

　　铸造是国民经济中的重要产业支柱，随着我国经济的持续发展，对铸造工业生产率要求不断提高，随着计算机技术的发展，铸造过程计算机模拟仿真技术在产品设计等方面发挥巨大作用，有效优化产品结构缩短开发周期。随着汽车工业生产的发展，汽车零件要具有可靠的质量，铸件内外在质量包括材质均匀性、尺寸精度等高于其他铸件，促使人们对铸件凝固过程深入研究，可以利用工艺因素变化深入研究凝固机理，指导工艺过程的设计提高铸件质量。实验方法研究凝固组织形成过程具有直观性，但存在耗费人力周期长等缺点，计算机技术的发展使得铸造凝固计算机数值模拟技术迅速发展，运用有限差分法可以对铸造中铸件温度场进行数值模拟，铸件的缩孔模拟预测是控制铸件内部质量的重要手段。将铸件尺寸合金物理参数等输入计算机可以对凝固中温度场模拟，合理控制工艺流程。

　　1球墨铸铁件凝固过程基础理论

　　铸造业是我国具有数千年历史的传统产业，作为制造业的重要部分对国民经济发展起到重要作用，制造业有时产品质量不易保证废品率较高，随着我国经济的发展，对铸件生产实现科学化控制，促进传统工业技术改造具有重要现实意义。随着计算机技术的迅速发展，铸件凝固过程数值模拟等技术大量应用于实际生产中，铸造工艺数值模拟成为铸造学科研究前沿课题，材料成型铸造发展趋势是用计算机模拟仿真代替传统经验性研究方法。研究石墨球形生长过程进行计算机模拟仿真对提高生产效率具有重要意义。

　　球墨铸铁凝固是金属石墨球从液态向固态转变的相变过程，凝固过程包括传热等宏观现象与晶粒形核生长等微观过程，凝固是混合相变热力学、凝固动力学等复杂过程，金属凝固大多在高温下进行，球铁凝固决定铸件中晶粒的形态，实现对凝固过程控制是人们长期追求的目标。晶粒的形成由形核与生长阶段组成。液体中的晶核不断凝聚周围原子铸件生长形成晶粒，液体中形成一些具有某临界尺寸稳定的固体质点为晶核。晶粒结晶过程分为形核与生长阶段，整体形核与生长结果为形成的凝固组织。铁液中的石墨形核包括碳原子以异质基团为形核质点形核，铁液中碳原子形成集聚集团在冷却速度下形核。球墨铸铁中石墨形核为异质，球墨铸铁形核模型可以采用瞬时与连续模型，连续形核模型合乎实际。在实际生产过程中，当材料的冷却速度达到一定范围时，形核的数量会急剧增加。我们可以将此现象视为形核的门槛值。球墨铸铁中化学成分主要是C、Si含量较高，含有一定量的残余Mg元素，球墨铸铁在共晶点上凝固析出石墨，液相中碳向初始石墨转移分为扩散与界面化学反应质量变化。

　　球铁件具有不同于铸钢的复杂凝固特性，球铁件缩孔缩松的形成涉及许多宏微观现象，大多数研究者从宏观冶金工艺因素出发研究对球铁件凝固特性的影响。球墨铸铁凝固特点是共晶凝固时间长，铸件内凝固压力变化与灰铸铁不同。铁水注入型腔后表面迅速降温，砂型升温后铸件表面被型砂吸走热量与内部传导热量达到平衡，球墨铸铁件表面凝固层比灰铸铁铸件较薄。球铁共晶凝固时间长由于凝固方式为非共生生长方式，石墨长大进入共晶阶段，碳原子由铁水中通过固态奥氏体壳扩散到石墨球上，比碳原子在铁水中扩散速度慢，球墨铸铁导热系数较小散热慢，石墨生长速度慢共晶凝固时间长。微观组织模拟研究处于探索阶段，对大型铸件模拟结果与实验结果偏差较大，目前微观模拟模型不够完善，微观组织模拟只能局限于形状简单的小体积铸件，微观模拟研究发展处于初级阶段。

　　2球墨铸铁件数值模拟技术

　　球墨铸铁具有良好的力学性能，在铸件机械产品中占据重要地位，球墨铸铁铸造产品不断提高对铸件要求逐渐加大，大型球墨铸铁件体积大缩孔不易集中，对工艺设计提出更高的要求。球墨铸铁逐渐凝固过程液体补缩受阻，减少球铁缩通常利用球铁水膜膨胀自补缩，探究工艺因素对球墨铸铁件收缩影响规律，提出球墨铸铁件缩孔缺陷工艺改进建议对提高产品质量具有重要意义。铸造过程数值模拟技术是对成形系统进行几何有限离散，通过数值计算分析铸造过程有关物理场的变化特点，凝固组织数值模拟包括宏微观模拟。

　　铸件凝固过程模拟始于温度场数值模拟，各国相继开展有关数值模拟方面的研究。我国数值模拟起步较晚但发展迅速，国家组织各地高校研究人员开展铸件铸造工艺CAD的研究。凝固过程宏观数值模拟发展出有限元法、直接差分法等多种数值方法，凝固过程宏观数值模拟目的是对铸件温度场等进行计算，用于处理相变的简化模型进行热流计算不能预测微观结构各项参数，结构参数是控制内在质量性能的重要因素。多采用经验与实验结合的方法预测铸件质量性能，微观结构形成中要考虑生长动力学等，利用有效数值技术凝固模拟模型非常重要。以往铸造过程数值模拟主要指流动充型过程等的数值模拟，铸造过程数值模拟为获得不同时刻温度场，微观组织决定铸件的力学性能，可以预测铸件凝固态微观组织调整生产工艺，得到优良的综合力学性能。铸件凝固模拟是对运动固液界面时空描述，温度场模拟为宏观工艺水平模拟。

　　微观尺度考察凝固过程是形核生长过程，国外对微观组织数值模拟研究提出很多模型预测共晶合金形核生长过程，许多与微观组织有关的参数与宏观温度场具有直接关系，如柱状组织生长速度与等温线移动速度有关。必须独立考察微观组织形成机理，建立模型与宏观连续方程耦合。目前铸造合金微观组织模拟是材料学科研究热点，研究方法主要有确定性方法与相场法等。目前计算机软硬件条件下不能将宏微观模拟单独分开，微观模拟要求比宏观模拟单元小，将大型铸件剖分为小单元格模拟不能满足计算量的要求，采用全部剖分法进行微观组织模拟不可行。现有方法是模拟大型铸件某区域采用宏微观结合的方法模拟研究，从宏观模拟结果文件中读取数据，可以缩短微观模拟的时间。铸件凝固过程微观组织模拟取得一定成绩，但目前微观组织模拟研究处于探索阶段，对大型铸件模拟结果与实验结果偏差较大。

　　3球墨铸铁微观组织模拟程序设计

　　球铁凝固中石墨析出带来体积膨胀，石墨膨胀力导致铸型壁变形，收缩缺陷是导致铸件报废的主要原因。铸件与球铁凝固过程具有显著差异，球墨凝固过程数值模拟技术目的是解决铸造工艺优化设计问题，孔缩预测是重要的内容。需要预测铸件的缩孔改进不合理工艺，控制铸件内部质量降低铸件成本。由数学模型推导具体差分方程是编写模拟程序的基础，液固界面前沿溶质分布对传热界面形态影响很大，精确计算凝固前沿溶质场是进行微观晶粒生长模拟的关键部分。

　　球铁微观组织模拟需要将模型算法用计算机语言表达，编写软件程序设计前需要列出实现计划。模拟程序设计要求具有友好便于用户使用的界面，程序主要功能是从铸件宏观温度场中取得数据进行微观组织模拟，为改进铸造过程中工艺提供可靠的依据。开发程序可选用平台有很多，选择Visual C++6.0平台对球墨铸铁微观组织进行数值模拟。在进行程序设计时，一项重要的要求是要具备友好的用户界面和实用的功能。为了使用户在使用过程中能够清晰地思考，我们需要设计相应的对话框来实现各种功能。同时，在程序设计的过程中，我们也需要了解铸件凝固过程中微观组织的影响因素。进入程序运行时间段出现程序主界面，电极窗口前期处理菜单项选择宏观温度场文件出现对话框，使用对话框类CFileDialog类实现对话框功能，对话框将温度场文件路径传给加载温度场函数Load，主界面菜单前期处理中有初始条件等对话框，为模拟程序提供初始化的消息。对话框的OnInitDialog函数中按实验条件设定缺省状态，用户可对参数重新设定，对话框的OnOK函数将用户重新设定信息加入程序内存中。主界面上中止当前运算命令执行后出现对话框，主界面上显示程序运行速度显示框，功能在主界面窗口的OnTimer函数中实现。

　　球墨铸铁微观组织模拟程序设计若干函数完成不同工作，Mainfunction函数是主函数，执行相应的操作命令，将开辟新的线程不断调用其他函数实现温度场获取，奥氏体形核等过程，Mainfunction主函数结束运算关闭开辟线程。必须要给出温度场等进入下步模拟运算，模拟计算前初始化工作是通过设计对话框类、公用对话框类CfileDialog等实现。为操作方便模拟程序设计显示部分，方便用户对运算过程参数变化统计研究。CSetshoDlg是显式设置对话框类，程序运行时主界面是否显示图形，显示部分对话框为球墨铸铁微观组织模拟动态显示对话框，可设定连续将保存文件显示，界面上提供当前显示图形凝固时间等。凝固模拟运算中要求暂停运算时可选择中止当前运算命令，保护当前线程供用户使用。程序释放内存前调用Save3File函数保存现场数据。

　　球墨铸铁是现代工业生产中的重要金属材料，由于其具有低成本等优点迅速发展，广泛应用于船舶制造、管道工程等许多工业部门，球墨铸铁容易产生收缩缺陷是球铁生产中的突出问题，随着凝固模拟技术的发展，成为铸造科研领域分析铸件凝固过程，优化铸造工艺的重要工具，凝固模拟技术可以供工艺设计人员分析问题保证铸造工艺设计科学性。研究软件系统采用模块化结构程序设计法，各功能模块通过接口方式有机结合成整体，采用模块化结构设计可以方便实现功能的拓展。软件系统包括模拟计算程序与前后处理软件，前处理软件包括CAD/CAM STL模型接口文件等，后处理软件显示前处理与模拟计算结果。模块间以数据文件作为接口形式，系统采用面向对象程序设计方法，运用中文信息等技术设计友好人机界面，采用基于显式有限差分法可节约内存的过程温度场计算方法，对球铁凝固过程温度场进行计算。开发后处理软件采用三维色彩图形显示技术显示剖分网格图，具有方便迅速形象直观的优点，为预测铸件缺陷提供依据。

　　4球墨铸铁件微观组织的数值模拟

　　金属与合金机械物理性能与其凝固形成微观组织密切相关，必须控制铸件的凝固过程。计算机应用软件为铸造产业发展提供技术支撑，微观组织形成过程数值模拟目的是预测铸件力学性能。球墨铸铁件在工业应用中占据重要地位，近年来建立模型研究取得长足发展，研究通过设计实验试样，以局部单元替代放大法为基础，完成微观组织三维数值模拟计算程序开发，模拟计算结果与实际组织吻合。球墨铸铁微观模型分为形核与生长模型，微观组织模型形核包括瞬时与连续形核，初生石墨球生长主要由碳扩散与界面反应控制。表1铸件工艺与模拟计算参数。

　　石墨球上的奥氏体壳在瞬时形成，经过奥氏体壳向石墨球上扩散。实验装置包括光学显微镜，IAS4图像分析系统，KGPS-500型中频感应炉等，试样化学成分为3.76%C，孕育剂化学成分为73%Si，AI<1.0。球化处理温度为1460℃~1480℃,孕育剂加入量为0.2%，二次孕育剂加入量为0.2%。1#试样尺寸为10mm×10mm×20mm。在程序开发中提出局部单元代替放大法进行微观组织模拟，取宏观剖分单元块放大，根据宏观剖分单元块信息构造进行微观组织计算所需替代块，进行微观组织模拟计算，可以灵活计算铸件任意部位的微观组织形成过程，可以选择宏观剖分单元用替代块进行计算。利用设计试样实验，采用编制计算程序对试样模拟计算，模拟值与实验值吻合。

　　研究采用数学模型对实验试件进行模拟计算，根据建立数学模型对实际球墨铸铁铸件进行模拟，采用湿型硅砂造型在生产线生产。球墨个数和直径模拟结果与实验吻合较好，球墨形核与生长主要与过冷有关。共析阶段试样13点温度较低，珠光体形核与生长容易，定量定性分析表明珠光体积分数少于11点，硬度值说明珠光体体积分数较少，共析阶段铁素体容易依附于球墨进行形核。共晶球墨数量多时，珠光体的形核和生长变得困难。基体中珠光体体积分数与共析阶段过冷有关，定量分析结果与硬度值表明珠光体数量较32点高，由于共析阶段过大，模拟结果存在误差说明模型有待改进。

　　球墨铸铁微观组织形成过程动态显示以界面为基础进行显示缺乏实验基础，采用计算机图形处理技术模拟球墨铸铁微观组织形成过程中的接触碰撞等行为，采用十二边形进行石墨球壳体生长过程模拟显示，设石墨球壳体沿十二边形端点方向进行，遇到不同生长情况，当前石墨球与相邻石墨球壳体相碰等，同时尖端生长情况不同，一些尖端受阻不生长。选择合适的参数对球墨铁基体组织进行模拟计算，球墨微观组织模拟程序研究结果与实验一致。采用购买Flow3D软件对铸件进行模拟分析，验证开发系统的准确性。利用开发系统模拟在1350℃下缺陷微缩孔体积-90.76cm3，利用华铸CAE模拟缺陷结果在铸件的交点部位未出现缩孔，在Flow3D模拟结果中顶端缩孔具有较小凹坑，开发系统模拟结果中二次缩孔数值较小，说明二次缩孔结果接近。

　　5结语

　　铸件凝固过程数值模拟是铸造工艺CAD的核心内容，目的是控制预测铸件质量。温度场计算基础上进行缩孔预测，多次反复修改获得最优工艺。本文针对实际生产中石墨球铸铁微观组织形成过程建立物理数学模型，采用局部单元替代放大算法进行微观组织形成模拟灵活实用。经过精确计算和开发，已经成功完成了球墨铸铁微观组织的三维数值模拟。通过这一程序，我们能够展示微观组织形成的过程，包括碰撞等随机增长现象，而且还能以二维动态的方式显示出来；通过对上模拟计算比较与实验结果，说明模拟模型及算法合理。