球墨铸铁以其优良的性能特点，被广泛应用在各个生产领域，近年来，厚大断面球铁铸件(壁厚超过200mm)的生产不断增长，用于制造大型的耐压、耐磨[1]、耐热零件。与普通球铁相比，厚大断面球铁经过较长时间的液态冷却和共晶凝固，从而导致球化衰退、球墨畸变、石墨漂浮、元素偏析、缩松、缩孔等缺陷，成为困扰生产厂家的难题之一[2]。 迄今为止，对于产生异常石墨的机理有许多种解释。Karsay的石墨球破裂说[3]，Buhr的热紊流冲蚀说[4]，Btrich的球墨内应力说[5]等理论认为异常石墨是球墨由于各种原因发生破碎而形成的。而H.Itofuji等认为异常石墨是在共晶液体中直接形核长大的[6]。其他还有观点认为异常石墨是在石墨球的基础上生核长大的，是石墨畸变的结果[7]。 为了实现在实验环境下研究厚壁铸件的冷却过程，本文研制开发了物理模拟大型铸件冷却环境的小型实验装置，通过控制不同的环境温度来达到控制试样凝固速度的目的。使用铸造模拟软件ADSTEFAN对不同壁厚的3D物理建模进行模拟运算，获得实验条件下冷却曲线与实际铸件断面尺寸的对应关系。 本文使用模拟装置完成了一系列的物理模拟实验，通过该装置所制备的试样表现出典型的大断面铸件的组织特征，证明该装置用于厚大断面球铁铸造研究的可行性。改变试样的凝固时间可模拟壁厚为100-300mm的大断面铸件的凝固和冷却条件。 本文研究了球墨铸铁中异常石墨的形成和生长规律。从浇铸到达到共晶平台所花费的时间与在共晶平台停留的时间存在一定的对应关系，通常是成正比的。随着共晶时间的延长，铸件的石墨形态逐渐偏离球形，向异常化的趋势发展，石墨颗粒的圆整度和铸件的力学性能随之降低。在扫描电镜下观察到的异常石墨呈现互相联结的立体网状结构，具有切割金属基体的倾向。 自从球铁发明以来，人们对稀土元素对球铁组织、性能的影响等方面进行了广泛的研究。稀土在以镁为主要球化元素的球铁中有脱硫、脱氧、净化铁水、中和干扰元素、促进球化等有利作用。本文通过模拟装置在实验室条件下研究了铈元素对于大断面球墨铸铁石墨形态的影响。铸造过程中除了按常规加入球化剂和孕育剂以外，再额外添加稀土元素铈，将会影响石墨颗粒的组织形态。Ce添加量为0.01％至0.012％范围内，石墨球的圆整度最好，铸件的球化率达到最大值。当Ce元素添加量一定时，球化率随着铸件壁厚的增加而下降。