球墨鑄鐵縮松淺析

盧彬彬，許景峰，李永剛

（濰柴重機股份有限公司濱海鑄造廠，山東濰坊 261001）

球墨鑄鐵縮松淺析

盧彬彬，許景峰，李永剛

（濰柴重機股份有限公司濱海鑄造廠，山東濰坊 261001）

介紹了球墨鑄鐵的凝固過程、特點以及對縮松缺陷的主要影響因素，并通過實例驗證了球墨鑄鐵縮松缺陷的防治過程，工藝參數的合理制定與生產過程的嚴格控制是生產球墨鑄鐵件的關鍵。

球墨鑄鐵；共晶凝固；縮松

1 球墨鑄鐵的共晶凝固特點

球墨鑄鐵共晶凝固時石墨-奧氏體兩相的離異生長特點，使共晶團生長到一定程度后，石墨球周圍即包裹一層奧氏體外殼，此時共晶團的生長依賴于碳原子由鐵液穿過固態的奧氏體外殼擴散至石墨球和鐵原子由石墨球-奧氏體界面擴散出去，生長速度會顯著減慢，甚至基本不生長。而共晶凝固的進行要借助于溫度進一步下降來獲得動力，產生新的晶核。即共晶凝固要在一個大的溫度區間才能完成，這就導致了共晶凝固時存在大的液-固兩相區，即表現出“糊狀凝固”的特性。

在實際生產中，由于球化處理時脫硫、脫氧作用，球狀石墨析出所需的異質晶核基本消失，使共晶凝固時需要更大的過冷度才能形核并長大；而一般球化劑中含有的鎂和鈰，均有降低共晶轉變溫度的作用，使球墨鑄鐵的共晶過冷度進一步加大。所以球墨鑄鐵有較大的白口傾向。

2 球墨鑄鐵的凝固過程

自上世紀末開始，廣大學者對球墨鑄鐵凝固過程不斷有新的認識，較為統一的觀點認為：①對于亞共晶球墨鑄鐵，當溫度下降至液相線溫度以下時，首先析出初析奧氏體；②共晶球墨鑄鐵，在非平衡凝固條件下，先析出初析奧氏體，甚至過共晶球墨鑄鐵在一些條件下亦是如此[1]；③球墨鑄鐵的共晶結晶屬于“變態”的共晶，一般稱為離異共晶，即在共晶轉變時，球狀石墨先于奧氏體析出，兩相均獨立形核，沒有平滑的共同結晶前沿，且在時間和空間上兩相都是獨立的。石墨球與奧氏體（此奧氏體包括繼續生長的初生奧氏體枝晶、共晶奧氏體）接觸并被后者所包圍形成共晶晶粒。

3 縮松的產生過程

縮松一般出現在鑄件最后凝固的區域，縮松分為宏觀縮松和微觀縮松。

宏觀縮松的形貌特征為，其位于凝固過程不斷長大的奧氏體枝晶前沿交匯處，枝晶主軸沿徑向由縮松區外圍向中心成簇生長?？s松的形成原因及過程大致表述如下：枝晶前沿生長至縮松區域中心，并形成枝晶骨架，此時該區域的鐵液被薄壁處（凝固速度較快的區域）體積收縮產生的抽吸作用吸走[2]，進而形成有上述形貌特征單個或蜂窩狀的縮松孔洞?？梢姾暧^縮松的形成處于凝固早期，在厚壁部位的枝晶形成骨架后，中心區域的鐵液被抽吸作用所吸走，即決定了縮松的形成，見圖1所示。

微觀縮松又被稱作顯微縮松，無法用肉眼直接觀察，且顯微縮松與宏觀縮松的形成過程和時間不同，某些學者的研究結論基本相同，都認為顯微縮松是出現在粗大的枝晶與石墨-奧氏體共晶團之間的間隙，而并非共晶團與共晶團間隙[2-3]。這說明粗大的奧氏體枝晶組織對顯微縮松的形成有直接影響。

圖1 球鐵宏觀縮松形成過程示意圖

微觀縮松的形成過程可大致描述如下，在凝固末期，粗大的枝晶將剩余的鐵液分割成一個個體積不等的小熔池，但它們并未被完全封閉，在枝晶進一步長大的同時，較小的熔池被先“吞噬”，此過程中較大的熔池會通過枝晶間隙向鄰近的較小熔池進行鐵液輸送，進而補充其凝固過程產生的體積收縮。隨著凝固過程的繼續進行，剩余的熔池被完全封閉，當石墨化膨脹的自補能力不足以補充其體積收縮時，即會在最后凝固的較大熔池處形成了微小孔洞，即顯微縮松。

4 球墨鑄鐵縮松形成的主要影響因素

4.1 冶金質量

在同樣化學成分、冷卻速度下，冶金質量好的鑄鐵，凝固過程中的液態收縮、體積膨脹和二次收縮值都小，因而形成縮孔、縮松和鑄件脹大變形的傾向小，容易獲得健全的鑄件[4]。鐵液的冶金質量一般用金相試樣單位面積（mm2）上的石墨球數來評定。

4.2 化學成分

鑄件化學成分中對縮松傾向影響較顯著的主要是碳當量。另外，球化元素、磷等對鑄件的縮松傾向有增大的趨勢。

眾所周知，球墨鑄鐵凝固時每析出1%質量的石墨，鑄鐵體積增大約2%。故碳當量越大，析出石墨球越多，鑄件凝固時產生的膨脹壓力越大，當鑄型剛度足夠時，石墨化膨脹產生的“自補縮”能力越強，鑄件的縮松傾向越小。但是，碳當量過高時，在鑄件厚壁處易產生石墨漂浮缺陷，故需根據鑄件結構、尺寸嚴格控制碳當量。一般認為：①控制CE=4.6%～4.7%以下時，可避免石墨漂?。虎诋敠豤+ωSi/7≥3.9%，為鑄件致密區；③ωc/ωSi=1.18時，球鐵鑄件的體收縮、線收縮最小。

隨著生產技術的發展，鑄造工作者對石墨化膨脹的產生的“自補縮”作用研究的不斷深入，開始意識到石墨析出的時機對球墨鑄鐵的縮松有很大影響，即只有當鐵液進出型腔的出入口被凝固組織封閉后，石墨析出的“自補縮”作用才能得到較好的發揮，故延后石墨析出的時機，避免共晶凝固前初生石墨的析出，對減輕縮松傾向有利。

綜上可知，在不發生石墨漂浮且沒有初生石墨的前提下，盡量提高碳當量，可有效降低縮松傾向。

而有些學者沿此方向進行了深入的研究，發現在沒有初生石墨的前提下，亦需減少共晶過冷點至共晶再輝點間的石墨析出量，才可有效的降低縮松傾向[5]。

4.3 孕育處理

球墨鑄鐵中孕育處理的目的基本可以概括為以下幾點：①消除結晶過冷傾向，由于球化處理的作用，增大了球墨鑄鐵的白口傾向，而碳化物的析出會勢必降低了石墨化的膨脹作用；②促進石墨球化，孕育處理可以增加石墨形核核心，細化球狀石墨；③減小晶間偏析。

不難發現，生產球墨鑄鐵時，可以通過有效的孕育處理手段，降低鐵液的共晶過冷度，增加石墨球數等，進而降低縮松傾向。

4.4 澆注溫度

降低鐵液的澆注溫度，可以減少鐵液的液態收縮，對降低縮松傾向有利，但是過低的澆注溫度，又會增大鑄件的夾渣、皮下氣孔、冷隔等缺陷發生的概率，且會降低冒口的補縮能力。所以球墨鑄鐵的澆注溫度不宜過低。

4.5 鑄件模數

相同條件下，如果鑄件模數增加，縮松傾向隨之增大。

4.6 澆注工藝

要想獲得完整的鑄件，僅僅依靠球墨鑄鐵的“自補縮”作用是無法達到的，即只要鑄型剛度足夠，球鐵就不會產生收縮的觀點是不對的[6]。所以合理的澆注系統、冒口及冷鐵的設計運用是消除鑄件縮松的關鍵。

4.7 鑄型剛度

由于球墨鑄鐵的石墨化膨脹作用，其凝固時對鑄型的壓力（約500～1 000 kPa）要比灰鑄鐵大的多。為了減少型壁移動，降低縮松傾向，故需增大鑄型的剛度。

5 某發動機缸體鑄件的縮松缺陷防治

我公司生產的某型號發動機缸體鑄件在試制初期存在嚴重的縮松缺陷而導致鑄件報廢，如圖2所示。

圖2 某型號發動機缸體鑄件縮松缺陷

通過對該鑄件的原工藝進行分析，發現在原工藝下鑄件該處存在較大的熱節，而冒口距該熱節處又較遠，難以發揮補縮作用。由于鑄件結構原因，該位置處又無法增加冒口，而縮松缺陷又比較嚴重，單純依靠調整鑄件的化學成分、孕育量等參數難以消除，故擬在此位置處增加外冷鐵，以增大此處的冷卻速度，使其提前凝固而得到補縮。同時將原鐵液的碳含量由3.70%～3.80%提高到3.78%～3.83%，其余元素含量的控制保持不變，以提高鑄件的自補縮能力。圖3為應用MAGMA模擬軟件對新舊工藝的對比分析，分析結果表明調整后的新工藝可有效解決縮松缺陷，并且在后續的生產中得到了驗證。

圖3 某型號發動機缸體鑄件模擬分析

6 結論

（1）在不發生石墨漂浮且沒有初生石墨的前提下，盡量提高碳當量，并通過合理的孕育處理等措施控制石墨析出的時間，可有效降低縮松傾向；

（2）提高鑄型剛度，是降低鑄件縮松傾向的必要條件；

（3）設計合理的澆冒口系統，充分發揮冒口甚至澆注系統的補縮作用，并配以冷鐵的運用，甚至優化鑄件結構，以徹底消除鑄件縮松缺陷。

[1] 徐錦鋒, 孟冬波. 球墨鑄鐵凝固及組織的形成[C].第八屆全國鑄鐵及熔煉學術會議暨先進球化處理方法研討會. 2010:250-252.

[2] 翟秋亞, 徐錦鋒, 袁森,等. 球墨鑄鐵中的奧氏體枝晶與縮松[J].鑄造, 2001, 50(07):376-380.

[3] 肖柯則. 球鐵件顯微縮松缺陷的研究[J]. 現代鑄鐵, 1997(01):24-25.

[4] 王文清, 李魁盛. 鑄造工藝學[M].機械工業出版社, 2002.10:306.

[5] 馬建華. 鑄鐵縮孔、縮松的熱分析測量與預防[C]. 第二屆中國環渤海經濟區鑄造論壇. 2010:257-260.

[6] 洪恒發. 基于球墨鑄鐵凝固原理的補縮方法[J]. 鑄造, 2011, 60(12):1194-1199.

Analysis of nodular graphite cast iron shrinkage

LU BinBin，XU JingFeng，LI YongGang
（Binhai Foundry of Weichai Heavy machinery Co.,Ltd.,Weifang 261001,Shandong,China）

The ductile iron solidifi cation process, characteristics and dispersed shrinkage is the main infl uence factors on shrinkage and through examples verify the nodular cast iron shrinkage defect prevention process, the strict control of the process parameters of reasonable formulation and production process is the key to producing ductile iron castings.

ductile iron; eutectic solidifi cation; dispersed shrinkage

TG245；

A；

1006-9658（2017）01-0046-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.01.014

2016-07-07

稿件編號:1607-1431

盧彬彬（1986—），男，工程師，主要從事鑄造車間生產現場鑄造工藝工作.