球墨鑄鐵與灰鑄鐵的凝固方式不同是由球墨與片墨生長(zhǎng)方式不同而造成的。

在亞共晶灰鐵中石墨在初生奧氏體的邊緣開始析出后，石墨片的兩側(cè)處在奧氏體的包圍下從奧氏體中吸收石墨而變厚，石墨片的先端在液體中吸收石墨而生長(zhǎng)。

在球墨鑄鐵中，由于石墨呈球狀，石墨球析出后就開始向周圍吸收石墨，周圍的液體因?yàn)?/span>w（C）量降低而變?yōu)楣虘B(tài)的奧氏體并且將石墨球包圍；由于石墨球處在奧氏體的包圍中，從奧氏體中只能吸收的碳較為有限，而液體中的碳通過固體向石墨球擴(kuò)散的速度很慢，被奧氏體包圍又限制了它的長(zhǎng)大；所以，即使球墨鑄鐵的碳當(dāng)量比灰鑄鐵高很多，球鐵的石墨化卻比較困難，因而也就沒有足夠的石墨化膨脹來抵消凝固收縮；因此，球墨鑄鐵容易產(chǎn)生縮孔。

另外，包裹石墨球的奧氏體層厚度一般是石墨球徑的1.4倍，也就是說石墨球越大奧氏體層越厚，液體中的碳通過奧氏體轉(zhuǎn)移至石墨球的難度也越大[1]。

低硅球墨鑄鐵容易產(chǎn)生白口的根本原因也在于球墨鑄鐵的凝固方式。如上所述，由于球墨鑄鐵石墨化困難，沒有足夠的由石墨化產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱向鑄型內(nèi)釋放而增大了過冷度，石墨來不及析出就形成了滲碳體。此外，球墨鑄鐵孕育衰退快，也是極易發(fā)生過冷的因素之一[1]。

2 球墨鑄鐵無冒口鑄造的條件

從球墨鑄鐵的凝固特點(diǎn)不難看出，球墨鑄鐵件要實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造的難度較大。筆者根據(jù)自己多年的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)球墨鑄鐵實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造工藝所需具備的條件作了一些歸納總結(jié)，在此與同行分享。

2.1 鐵液成分的選擇

2.1.1 碳當(dāng)量（CE）

在同等條件下，微小的石墨在鐵液中容易溶解并且不容易生長(zhǎng)；隨著石墨長(zhǎng)大，石墨的生長(zhǎng)速度也變快，所以使鐵液在共晶前就產(chǎn)生初生石墨對(duì)促進(jìn)共晶凝固石墨化是非常有利的。過共晶成分的鐵液就能滿足這樣的條件，但過高的CE值使石墨在共晶凝固前就長(zhǎng)大，長(zhǎng)大到一定尺寸時(shí)石墨開始上浮，產(chǎn)生石墨漂浮缺陷。這時(shí)，由石墨化引起的體積膨脹只會(huì)造成鐵液液面上升，不但對(duì)鑄件的補(bǔ)縮毫無意義，而且由于石墨在液態(tài)時(shí)吸收了大量的碳，反而造成在共晶凝固時(shí)鐵液中的w（C）量低不能產(chǎn)生足夠的共晶石墨，也就不能抵消由于共晶凝固造成的收縮。實(shí)踐證明，能夠?qū)?/span>CE值控制在4.30%~4.50%是最理想的。

2.1.2 硅（Si）

一般認(rèn)為在Fe-C-Si系合金中， Si是石墨化元素，w（Si）量高有利于石墨化膨脹，能夠減少縮孔的發(fā)生。很少有人知道，Si是阻礙共晶凝固石墨化的。所以，不論從補(bǔ)縮的角度考慮，還是從防止碎塊狀石墨產(chǎn)生的角度考慮，只要能通過強(qiáng)化孕育等措施防止白口產(chǎn)生，都要盡可能地降低w（Si）量。

2.1.3 碳（C）

在合理的CE值條件下，盡可能提高w（C）量。事實(shí)證明球墨鑄鐵的w（C）量控制在3.60%~3.70%，鑄件具有最小的收縮率。

2.1.4 硫（S）

S是阻礙石墨球化的主要元素，球化處理的主要目的就是脫S，但球墨鑄鐵孕育衰退快與w（S）量太低有直接關(guān)系；所以，適當(dāng)?shù)?/span>w（S）量是必要的。可以將w（S）量控制在0.015%左右，利用MgS的成核作用增加石墨核心質(zhì)點(diǎn)以增加石墨球數(shù)，減少衰退[2]。

2.1.5 鎂（Mg）

Mg也是阻礙石墨化的元素，所以在保證球化率能夠達(dá)到90%以上的前提下，Mg應(yīng)盡可能低。在原鐵液w（O）、w（S）量不高的條件下，殘留w（Mg）量能夠控制在0.03%~0.04%是最理想的。

2.1.6 其它元素

Mn、P、Cr等所有阻礙石墨化的元素越低越好。

要注意微量元素的影響，如Ti。當(dāng)w（Ti）量低時(shí)，是強(qiáng)力促進(jìn)石墨化元素，同時(shí)Ti又是碳化物形成元素，又是影響球化促進(jìn)蠕蟲狀石墨產(chǎn)生的元素，所以w（Ti）量控制得越低越好。筆者公司曾經(jīng)有一個(gè)非常成熟的無冒口鑄造工藝，由于一時(shí)原材料短缺而使用了w（Ti）量為0.1%的生鐵，生產(chǎn)出的鑄件不但表面有縮陷，加工后內(nèi)部也出現(xiàn)了集中型縮孔。

總之，純凈原材料對(duì)提高球墨鑄鐵的自補(bǔ)縮能力是有利的。

2.2 澆注溫度

有實(shí)驗(yàn)表明，球墨鑄鐵的澆注溫度從1 350 ℃到1 500 ℃對(duì)鑄件收縮的體積沒有明顯的影響，只不過縮孔的形態(tài)從集中型逐漸向分散型過度。石墨球的尺寸也隨著澆注溫度的升高逐漸變大，石墨球的數(shù)量逐漸減少。所以沒有必要苛求過低的澆注溫度，只要鑄型強(qiáng)度足夠抵抗鐵液的靜壓力，澆注溫度可以高一些。通過鐵液加熱鑄型減少共晶凝固時(shí)的過冷度，使石墨化有充足的時(shí)間進(jìn)行。不過，澆注速度要盡可能地快，以盡量減少型內(nèi)鐵液的溫度差[3]。

2.3 冷鐵

根據(jù)筆者使用冷鐵的經(jīng)驗(yàn)及利用以上理論分析，冷鐵能夠消除縮孔缺陷的說法并不確切。一方面，局部使用冷鐵（如打孔部位），只能使縮孔轉(zhuǎn)移而不是消除縮孔；另一方面，大面積地使用冷鐵而獲得了減少補(bǔ)縮或無冒口的效果，只是無意識(shí)地增加了鑄型強(qiáng)度而不是冷鐵減少了液體或共晶凝固收縮。事實(shí)上，如果冷鐵使用過多，影響了石墨球的長(zhǎng)大及石墨化的程度，相反會(huì)加劇收縮。

2.4 鑄型強(qiáng)度和剛度

由于球鐵大都選擇共晶或過共晶成分，鐵液在鑄型中冷卻至共晶溫度所經(jīng)過的時(shí)間較長(zhǎng)，也就是鑄型所承受的鐵液靜壓力的時(shí)間要比亞共晶成分的灰鑄鐵要長(zhǎng)，鑄型也就更容易產(chǎn)生壓縮性變形。當(dāng)石墨化膨脹引起的體積增加不能抵消液體收縮+凝固收縮+鑄型變形體積時(shí)，產(chǎn)生縮孔也就在所難免。所以，足夠的鑄型剛度及抗壓強(qiáng)度是實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造的重要條件，有許多覆砂鐵型鑄造工藝實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造既是這一理論的證明。

2.5 孕育處理

強(qiáng)效孕育劑及瞬時(shí)延后孕育工藝既能給予鐵液大量的核心質(zhì)點(diǎn)，又能防止孕育衰退，能夠保證球墨鑄鐵在共晶凝固時(shí)有足夠的石墨球數(shù)；多而小的石墨球減少了液體中的C向石墨核心轉(zhuǎn)移的距離，加快了石墨化速度，短時(shí)內(nèi)大量的共晶凝固又能釋放出較多的結(jié)晶潛熱，減少了過冷度，既能防止白口的產(chǎn)生，又能加強(qiáng)石墨化膨脹。因而。強(qiáng)效孕育對(duì)提高球墨鑄鐵的自補(bǔ)縮能力至關(guān)重要。

2.6 鐵液過濾

鐵液經(jīng)過過濾，濾除了部分氧化夾雜，使鐵液的微觀流動(dòng)性增強(qiáng)，可以降低微觀縮孔的產(chǎn)生幾率。

2.7 鑄件模數(shù)

由于鑄態(tài)珠光體球鐵需要加入阻礙石墨化的元素，這會(huì)影響石墨化程度，對(duì)鑄件實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮目的有一定影響，所以有資料介紹，無冒口鑄造適用于牌號(hào)在QT500以下的球墨鑄鐵。除此之外，由鑄件的形狀尺寸所決定的模數(shù)應(yīng)在3.1 cm以上。

值得注意的是，厚度＜50 mm的板類鑄件實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造是困難的。

也有資料介紹，對(duì)QT500以上的球墨鑄鐵實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造工藝的條件是其模數(shù)應(yīng)大于3.6 cm。

3 應(yīng)用實(shí)例介紹

3.1 大模數(shù)鑄件無冒口鑄造工藝實(shí)例

材料牌號(hào)為GGG70的風(fēng)電增速器行星支架鑄件，重量為3 300 kg，輪廓尺寸為φ1 260×1 220 mm，鑄件模數(shù)約為5.0 cm。鑄件成分為：w（C） 3.62%；w（Si） 2.15%；w（Mn） 0.25%；w（P） 0.035%；w（S） 0.012%；w（Mg） 0.036%；w（Cu） 0.98%。澆注溫度為1 370~1 380 ℃

考慮到鐵液對(duì)鑄型下部的壓力較大，容易使鑄型下部產(chǎn)生壓縮變形，所以客戶推薦將冷鐵主要集中放置在下部（如圖1）。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，開始試制時(shí)，我們決定使用無冒口鑄造工藝，也就是圖1去掉冒口的工藝。雖然客戶請(qǐng)專業(yè)人員對(duì)所試制鑄件做超聲探傷并未發(fā)現(xiàn)有內(nèi)部缺陷，解剖結(jié)果也未發(fā)現(xiàn)縮孔缺陷。但對(duì)照其它相關(guān)資料及客戶提供的參考工藝，我們對(duì)這么重要的鑄件批量生產(chǎn)后一旦發(fā)生縮孔缺陷的后果甚為擔(dān)心，所以對(duì)圖1工藝進(jìn)行了凝固模擬試驗(yàn)，模擬結(jié)果如圖2。

推薦的冒口補(bǔ)縮工藝  

圖2 根據(jù)圖1工藝的模擬結(jié)果

從模擬結(jié)果可見，液態(tài)收縮已經(jīng)將包括內(nèi)部的3個(gè)Φ140×170 mm圓形發(fā)熱保溫冒口及外側(cè)的3個(gè)320×200×320 mm腰圓形發(fā)熱保溫冒口內(nèi)的鐵液全部用盡；因而，我們?cè)谠?/span>320×200×320 mm發(fā)熱保溫冒口的上面再加上1個(gè)同等大小的冒口，即將冒口尺寸改為320×200×640 mm。但是，澆鑄后的結(jié)果卻是所有冒口一點(diǎn)收縮的痕跡也沒有，從而證實(shí)了這個(gè)鑄件完全可以實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造。

3.1小模數(shù)鑄件有冒口鑄造實(shí)例

圖3所示的蜂窩板材料牌號(hào)為QT500-7，長(zhǎng)×寬×高尺寸為1 230×860×32 mm，鑄件模數(shù)M=3.2/2=1.6 cm。

此鑄件模數(shù)遠(yuǎn)小于3.1 cm，顯然不適用于無冒口鑄造工藝，但試制時(shí)為了提高工藝出品率，采用了立澆雨淋式澆口（圖4），原意是想使鑄件在凝固時(shí)產(chǎn)生自上而下的溫度梯度，以利用橫澆口補(bǔ)縮，但結(jié)果卻是在鑄件的中間部位加工后產(chǎn)生了大面積連通性縮孔（圖4中雙點(diǎn)劃線處）。試制4件無一件成品。

圖4  試制工藝方案示意圖

于是，我們改變思路，制定了如圖5所示的臥澆、冷鐵加冒口工藝。用冷鐵將鑄件分割成9部分，每部分的中央放置冒口。改進(jìn)后的工藝出品率大于75%，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，廢品率在2.0%以下，由于原材料和工藝都較穩(wěn)定，加工后幾乎沒有廢品。