球墨铸铁凭借优异的铸造性能、良好的综合力学性能及低廉的制造成本，被广泛应用于形状复杂的厚大铸件制造[1-3]。 然而，在厚大断面球墨铸铁的凝固与冷却过程中， 显微组织调控面临较大挑战，厚大铸件中心区域因冷却速度缓慢，易出现石墨球数量减少、碎块状石墨缺陷，易导致球墨铸铁材料性能的降低[4-6]。 同时，基体中缩松缩孔缺陷也会降低材料机械强度[7-9]。
针对厚大断面铸件中心石墨衰退问题，合金化和优化孕育工艺是改善石墨衰退的主要手段，且圆整的石墨球可显著降低缩松缩孔的数量[10]。 Mourad等[11]研究表明由于Sb 包围石墨球，阻止了C 原子从基质向基核的扩散，对增加成核率和抑制石墨球的恶化起着重要作用。 蒋立鹏等[12]在厚大断面铁素体球墨铸铁件中，添加适量的元素Bi 可与铸铁中的微量元素形成微合金化合物，这些化合物的晶体结构与石墨晶格具有较高的匹配度，能够进一步提升异质形核效率，细化石墨球，增加石墨球数量，改善石墨球的形态，同时抑制碎块状石墨的产生。而在优化孕育剂和孕育工艺方面，Yamamoto 等[13]通过对比常规孕育(FeSi 基)与复合孕育(FeSi+Bi/Ca/Sr)的效果，发现复合孕育处理通过“异质形核-界面调控-干扰元素钝化”多机制协同可有效提升厚大断面球铁中心石墨数量及圆整度，实现组织均匀性与力学性能的同步提升。 徐振宇[14]针对孕育剂颗粒分布对孕育衰退的抑制作用的研究表明，同一孕育剂条件下，大颗粒分数少的组分，处理瞬时孕育效果较好，但小颗粒分数越多，作用质点数越多，孕育剂对铁液的不平衡扰动扩散消失也较快，即孕育衰退也较快。 故合适颗粒分布和二次孕育可有效阻碍孕育衰退。 Asenjo 等[15]通过实施型内孕育工艺来改善厚大断面球墨铸铁件的石墨形态。 研究表明，采用型内孕育可显著改善厚大断面球墨铸铁中心部位的石墨状况，试件中心处的石墨球数量增加且圆整度提高。 由此可见，孕育剂的缓慢释放可有效提升厚大断面球墨铸铁的孕育效果， 从而增加石墨球数量和改善石墨形态。 但其都难以完全消除中心区域石墨畸变，尤其是厚大断面中心处石墨衰退问题。
本研究采用胶囊缓释孕育的方式，利用铁箔制备胶囊壳体，孕育剂置于“胶囊”内部，在浇注过程中将孕育胶囊置于内浇口内完成孕育剂的缓慢释放。 分析了该工艺对厚大断面球墨铸铁中心区域石墨球数量、石墨形态的调控作用，并进一步讨论其对力学性能的影响，为厚大断面球墨铸铁中心部位的石墨结构调控提供理论依据与工程实践参考。
1 实验材料与方法
1.1 试样制备
本研究将包内冲入球化孕育与缓释孕育相结合，以梯度厚度胶囊铁箔孕育载体开展研究，该孕育载体采用非等厚铁皮结构设计， 两侧铁箔厚度均为0.05 mm， 中间部位则分别设置0.1 和0.3 mm 2 种厚度规格。铸件如图1 所示，在内浇口处设置陶瓷过滤网，使其能在内浇口中缓慢释放孕育剂，以防止梯度厚度椭球铁箔孕育载体冲入铸件。 在过滤网前于图1a 红色框位置放置梯度厚度椭球铁箔孕育载体，其形状如图中蓝色胶囊状，蓝色代表铁箔。铸件尺寸为长120 mm、宽120 mm 和高170 mm，其模数为22.2 mm。 研究过程中制备了3 种对比试样，分别命名为HDQT-0、HDQT-0.1 和HDQT-0.3。HDQT-0 采用包内球化孕育工艺， 球化剂与孕育剂含量分别设定为1.2%和0.5%， 并在内浇口处另放0.1%的孕育剂；HDQT-0.1 和HDQT-0.3 则采用包内冲入球化孕育与胶囊缓释孕育协同作用的复合工艺， 其中包内球化孕育的球化剂与孕育剂含量保持1.2%和0.5%不变，在内浇添加的0.1%的孕育剂被梯度厚度胶囊铁箔孕育载体包裹。 HDQT-0.1 试样梯度厚度胶囊铁箔孕育载体的中间铁箔厚度为0.1 mm，HDQT-0.3 则将中间铁箔厚度调整为0.3 mm。
图1 铸件：(a)示意图；(b)成件
Fig.1 Casting:(a)schematic diagram;(b)completed casting diagram
表1 为球墨铸铁化学成分， 使用中频感应电炉在1 540 ℃的温度下进行熔炼，将1 450～1 500 ℃的铁液倒入含有稀土镁合金球化剂(45.03%Si，0.18%Re，5.59%Mg，0.96%Ca，0.72%Ca，质量分数，下同)和硅钡钙孕育剂(72.99%Si，2.29%Ba，1.73%Ca,1.15%Al)的浇包进行球化孕育处理， 浇入铸型过程中在横浇道放置孕育剂进行非缓释及缓释二次孕育处理。
表1 球墨铸铁的化学成分
Tab.1 Chemical composition of ductile iron(mass fraction/%)
ElementCSiMnPSMgFe HDQT-03.682.020.18 0.018 0.013 0.045Bal.HDQT-0.1 3.672.050.17 0.018 0.014 0.044Bal.HDQT-0.3 3.672.040.18 0.017 0.013 0.045Bal.
1.2 材料表征
在厚大球铁铸件中心部位进行组织和性能取样，将得到的球墨铸铁试样件进行打磨抛光，并用浓度4%的HNO3 进行腐蚀处理， 使用OLS4100 激光共聚焦显微镜(Olympus，日本)和GeminiSEM 300场发射扫描电子显微镜(ZEISS，德国)观察微观组织。 微观组织拍照位置采用5 点取样法，对多个微观组织图进行统计分析。 并参考GB/T 9441-2021 对球墨铸铁进行金相检验， 通过Image-Pro-plus6.0 软件对铁素体含量、石墨球数、石墨平均直径、球化率进行统计分析，所有测量分析进行5 次，取平均值减少误差。 试样件用E45-305 型微机控制电子万能试验机(MTS，美国)在室温下以1.5 mm/min 的十字头速度进行拉伸实验，3 种不同的球墨铸铁试验件进行3 次对照实验， 其抗拉强度和伸长率取平均值处理。
2 实验结果及讨论
2.1 显微组织
图2 展示了不同球墨铸铁试样的石墨组织，观察发现HDQT-0 试样中石墨球数量较少，且石墨衰退现象较为严重。而进行缓释孕育处理后，HDQT-0.1 和HDQT-0.3 试样中石墨球数量显著增多， 石墨衰退现象明显减轻，同时石墨球也得到细化。
图2 厚大断面球墨铸铁石墨组织图：(a)HDQT-0;(b)HDQT-0.1;(c)HDQT-0.3
Fig.2 Graphite microstructure of heavy section ductile iron:(a)HDQT-0;(b)HDQT-0.1;(c)HDQT-03
图3 展示了不同球墨铸铁试样的石墨数据，经胶囊缓释孕育处理后，石墨球数量和球化率均有所提升。 石墨球密度由72 个/mm2 增至100 个/mm2；球化率从70.86%提升至81.52%。 然而，随着梯度厚度胶囊铁箔孕育载体中间厚度的增加，石墨球数量和球化率的增幅趋于平缓。 未进行缓释孕育的石墨平均直径为20.51 μm，加入后降至18.74 μm。 缓释孕育提供了大量异质形核点， 显著增加石墨球数量。 尤其在厚大断面中，缓慢的冷却速度易导致形核核心不足， 而缓释孕育能够持续补充形核核心，有效抵消冷却缓慢带来的不利影响。 并且缓释孕育更接近凝固时间，减少了孕育剂因长时间高温停留导致的衰退，确保有效形核。 从石墨生长机制来看，缓释孕育通过增加形核数量，促使铁液中的碳元素在更多核心之间分配，从而限制了单个石墨球的生长空间，最终实现石墨平均直径的减小[16]。根据数据变化发现持续增加胶囊壁厚， 数据增幅趋于平缓，并且持续增加壁厚会导致孕育剂部分未熔化， 增加铸造缺陷。
图3 厚大断面球墨铸铁石墨数据：(a)石墨球密度；(b)球化率；(c)平均直径
Fig.3 Graphite data of heavy-section ductile iron:(a)graphite nodule density;(b)nodularity;(c)average diameter
图4 为厚大断面球墨铸铁微观组织。 厚大断面球铁组织主要由铁素体和少量珠光体组成， 且可观察到随石墨球数量增多，铁素体晶粒呈细化趋势。经缓释孕育处理的铸件中，石墨球数量显著增多，形核率的提升会为基体相提供更多附着形核位点， 进而抑制单个晶粒的长大空间，促使基体晶粒尺寸细化[17]。从碳扩散机制分析， 铁液中的碳元素向多个石墨球表面扩散并沉积， 会降低基体相中碳的过饱和度，有效抑制晶粒的快速生长， 进一步强化了晶粒细化效果[18]。 晶粒尺寸统计如图5 所示，晶粒尺寸呈持续下降趋势， 但HDQT-0.1 和HDQT-0.3 的晶粒尺寸相差不大，其趋势呈现平缓。
图4 厚大断面球墨铸铁微观组织：(a)HDQT-0;(b)HDQT-0.1;(c)HDQT-0.3
Fig.4 Microstructure of heavy section ductile iron:(a)HDQT-0;(b)HDQT-0.1;(c)HDQT-0.3
图5 不同球墨铸铁试样晶粒尺寸
Fig.5 Grain sizes of different ductile iron samples
2.2 力学性能
图6 为球墨铸铁试样的拉伸应力-应变曲线。研究表明，缓释孕育工艺的引入显著提升了厚大断面球墨铸铁中心区域的力学性能：抗拉强度由367 MPa 提升至398 MPa，增幅达8.45%；伸长率由15.02%提高至19.5%，提升幅度为29.82%。
图6 球墨铸铁试样应力-应变曲线
Fig.6 Stress-strain curves of ductile iron samples
球墨铸铁的力学性能与石墨形态密切相关。 相较于碎块状石墨和蠕虫状石墨， 圆整的球状石墨可显著提升材料强度。 胶囊缓释孕育工艺通过增加厚大断面球铁中心部位的石墨数量并改善其圆整度，实现了强度与塑性的协同提升。此外，石墨的析出可通过析出强化提升抗拉性能，其强化公式[19]为：
式中，σp 为沉淀强化；G 为剪切模量(81.6 GPa)；b 为伯氏矢量，值为0.248 nm；f 为石墨球体积分数；r 为石墨球平均直径，nm。
复合孕育工艺可通过细化晶粒提升材料性能，而胶囊缓释孕育通过细晶强化机制进一步优化了球铁的力学性能[20]。 随着梯度厚度胶囊铁箔孕育载体中间部位厚度的增加， 试样的抗拉强度和韧性趋于平稳，未呈现持续增长趋势。
图7 为拉伸断口形貌图，通过HDQT-0 拉伸断口(图7a)的表面观察可见，其断口表面存在大量碎块状石墨聚集现象。 这类碎块状石墨会对组织产生割裂作用，造成组织连续性破坏。在拉伸载荷施加的情况下，碎块状石墨会成为显著的应力集中源，使得裂纹极易在石墨边缘处萌生，并且能够快速扩展，进而显著加速穿晶断裂的进程[16]。
图7 不同球铁试样拉伸断口形貌：(a)HDQT-0;(b)HDQT-0.1;(c)HDQT-0.3
Fig.7 Tensile fracture surfaces of different ductile iron samples:(a)HDQT-0;(b)HDQT-0.1;(c)HDQT-0.3
这种组织不连续性会对球墨铸铁的力学性能产生显著的负面影响。 碎块状石墨的存在阻碍正常的塑性变形机制， 局部区域因石墨脱落而形成蜂窝状凹坑；石墨的聚集会减少有效承载面积，降低裂纹扩展所需能量， 最终导致球墨铸铁的抗拉强度大幅下降，与具有理想球状石墨组织的球墨铸铁相比，性能出现大幅度下滑。
HDQT-0.1 和HDQT-0.3 的拉伸断口表面展现出良好的石墨球圆整度， 未观察到因碎块状石墨导致的蜂窝状凹坑。球状石墨表面曲率均匀，在拉伸载荷作用下不易形成应力集中点。 从撕裂棱上可明显观察到韧窝，且石墨颗粒被韧窝环绕，这表明基体经历了显著的塑性流动过程。
3 结论
(1)铁箔缓释载体结合陶瓷过滤网设计，避免了孕育剂过早失效，延长了有效形核时间，克服了厚大断面冷却缓慢导致的形核不足问题。
(2)缓释孕育通过梯度胶囊释放孕育剂，持续提供异质形核核心， 石墨球密度由72 个/mm2 增至100 个/mm2，球化率从70.86%增加到81.52%，并抑制碎块状石墨生成。石墨平均直径从20.51 μm 减小到18.74 μm 表明碳元素分配更为均匀。
(3)胶囊型缓释孕育载体铁箔厚度为0.3 mm 时，试样的抗拉强度与伸长率分别达到398 MPa 和19.5%， 与未进行胶囊缓释孕育相比提高8.45%和29.82%，圆整石墨有效抑制了裂纹萌生，基体塑性显著增强。
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