40多年来，厚大断面铁素体球墨铸铁心部的黑斑缺陷一直困扰着国内外科研工作者们。心部黑斑是厚大断面球铁中最典型的缺陷，是由于石墨畸变成碎块状石墨在宏观上的表现，对铸件的性能有恶化作用。为了消除厚大断面球铁件中碎块状石墨，改善力学性能，铸造厂家们采用了热处理和添加合金化元素（Cu、Sb）等方法，并取得了较好的成效，但是制造成本较高。为了提高市场竞争力，在铸态下获得性能优异的厚大断面球铁件是首选。本论文的主要内容为研究微量元素Bi对厚大断面铁素体球墨铸铁石墨形态和力学性能的影响；分析不同的残余稀土含量对厚大断面铁素体球墨铸铁组织和性能的影响；讨论重轻混合稀土镁球化剂对厚大断面铁素体球墨铸铁的影响；采用多功能温度采集仪，分析厚大断面铁素体球墨铸铁的共晶凝固冷却特性曲线，研究球铁凝固过程；利用光学显微镜、扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDX），研究拉伸断口形貌，从微观上分析球铁中石墨球的形态，异质核心及晶界偏析物的微量元素分布。研究结论如下：（1）尺寸为180mm×180mm×200mm试样中，添加0.012wt%Bi可以消除碎块状石墨；试样尺寸为250mm×250mm×300mm时，加Bi只能在一定程度上抑制碎块状石墨产生。随着Bi加入量的增加，其抑制作用呈先增强后减弱的趋势。当Bi加入量为0.010wt%~0.012wt%时，其抗拉强度达337MPa，伸长率为10.4%，-40℃低温冲击功可达到10.5J，综合性能得到较大改善。适当降低残余稀土量，即调整RE/Bi加=1.3~1.5，可以进一步抑制碎块状石墨和改善综合力学性能。说明添加微量Bi工艺是一项有效的黑斑缺陷控制技术。另外，添加微量Bi可以抑制球墨铸铁组织中珠光体的产生，其试样的拉伸断口属于韧性断裂，存在大量的等轴韧窝。球墨异质形核核心主要由CeBi和LaBi等高熔点金属间化合物以及Mg的氧或硫化物组成。（2）采用重轻混合稀土镁球化剂工艺是一项效果明显的黑斑缺陷控制技术。当采用相同的重轻稀土球化剂混合比例时，天和D-2重稀土球化剂对碎块状石墨的抑制作用要明显优于龙南DY-2重稀土球化剂。当采用同种重稀土球化剂配制混合球化剂时，重、轻稀土球化剂混合比例为4:6时铸件的组织和性能要明显优于比例为3:7的。说明重轻混合球化剂对碎块状石墨的抑制作用会随着重稀土球化剂比例的增加而增强。球铁晶界偏析产物可能为磷共晶、Mg的化合物和稀土高熔点化合物的混合物。（3）随着球铁试样的壁厚从70mm增加到250mm，结晶温度区间从32.1℃增大到59.8℃，结晶冷速从2.74℃/min减小为0.59℃/min，凝固时间从11.7min延长为101.1min，会导球化级别从2级降为3-4级，石墨球大小从6级升为5级，球数减小，共晶团晶粒少而粗大，石墨形态畸变，综合力学性能都逐渐下降，出现碎块状石墨后力学性能骤然下降。当试样壁厚在180mm以下，结晶时间小于48.2min时，石墨以球形析出并长大，力学性能良好。之后随壁厚增加，石墨畸变可能性增加。另外，壁厚为70mm试样的凝固冷却曲线上出现明显的再辉现象。