淺談球墨鑄鐵凝固特性對鑄造工藝的影響

孫西森

【摘? 要】在鑄造缺陷中，體積缺陷（縮孔、縮松）是常見的報廢原因，鐵水從澆注到凝固，溫度迅速降低，鐵液內部發生了復雜的物理化學變化與體積變化。在凝固過程中，球墨鑄鐵的凝固尤為復雜，鑄件液態時便會有石墨球和枝狀晶析出，并且是在一個很寬的溫度范圍內進行，所以球墨鑄鐵是典型的糊狀凝固特征，而糊狀凝固則是導致鑄件出現體積缺陷的主要原因，因此，研究球墨鑄鐵的凝固過程至關重要，對鑄造工藝方法有重大指導意義。論文的目的是針對球墨鑄鐵的糊狀凝固特性，探討預防縮松、縮孔的工藝方法，以期能對提高鑄件質量，減少鑄造廢品有所裨益。

【Abstract】In the casting defects， volume defects （shrinkage hole and loosening） are a common cause of scrap. From casting to solidification， the temperature of molten iron drops rapidly， and complex physical and chemical changes and volume changes take place inside the molten iron. In the process of solidification， solidification of ductile iron is particularly complex. Casting in liquid state will precipitate graphite spheres and dendrites， and is carried out in a wide temperature range， so ductile iron is a typical pasty solidification characteristics， and pasty solidification is the main cause of casting volume defects. Therefore， it is very important to study the solidification process of ductile iron， and it has great guiding significance to the casting technology. The purpose of this paper is to discuss the technological methods of preventing shrinkage hole and loosening according to the paste solidification characteristics of ductile iron，so as to improve casting quality and reduce casting waste.

【關鍵詞】球墨鑄鐵;縮松;縮孔;糊狀凝固

【Keywords】ductile iron; shrinkage loosening; shrinkage hole; paste solidification

【中圖分類號】TG245? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）08-0168-02

1 球墨鑄鐵件的縮孔、縮松

目前在球墨鑄鐵件生產中，常有縮松、縮孔現象，并且僅僅總結各種縮松、縮孔的缺陷種類就有近24種，縮松、縮孔會嚴重影響鑄件的力學性能，嚴重時會出現斷裂，造成重大損失。常見縮松缺陷如表1所示。

2 球墨鑄鐵的凝固

球墨鑄鐵和其他鑄造合金一樣，都要經歷液態冷卻和凝固時的收縮，但有一點與其他鑄造合金不同。

球墨鑄鐵還經歷凝固時的一個膨脹期，具體就是3個收縮與1個膨脹。3個收縮：液態收縮，凝固收縮，固相收縮。1個膨脹：石墨化膨脹。所以球墨鑄鐵的凝固過程是收縮和膨脹的動態疊加結果[1]。

2.1 液態收縮

對于球鐵的液態收縮，宏觀表現為鐵水液面的下降，微觀表現就是鐵合金系統內的原子動能在不斷降低，原子間距不斷減小導致的體積收縮，體積的收縮可由以下公式描述。

△VSL=αSL（Tt-Tt+△t）V0

式中，△VSL為體積V0在t至t+△t時間步長內的液態收縮量。

αSL為合金的液態體積收縮系數。

Tt為體積V0在t時刻的溫度。

Tt+△t為體積V0在t+△t時刻的溫度。

V0為體積V0的體積。

由公式可以看出，體積收縮只與合金材質和溫度差有關，收縮量會因鐵合金化學成分和外界條件的不同略有差異，有公式計算一般球鐵的體積收縮，每溫降100℃體積收縮1.5%，一般球鐵液相體積收縮的溫度范圍，自澆注溫度到結晶溫度（1150℃）截止。

2.2 初期石墨化膨脹

過共晶球鐵凝固過程中當溫度低于石墨液相線時，將析出初生石墨球，在初生石墨球生長過程中，由于石墨與鐵水直接接觸，碳原子的擴散要容易得多，石墨球的長大受碳原子在鐵水中的擴散速度影響，長大到一定尺寸后石墨球被奧氏體外殼包圍，隨后石墨球將繼續長大直到共晶轉變結束。

所以發生初期石墨化膨脹的條件CEX-CE0>0;CE0為共晶點CE值，CEX為球鐵實際CE值。

初生碳析出量的計算G初=×100%;CX為鑄鐵碳含量，Cc為共晶碳含量。

碳的密度約是2.25g/cm3，每析出1%的碳，球鐵的體積會膨脹2.05%～3.4%，因此，由上述公式就可以計算出初生碳析出量所導致的體積膨脹[2]。

由于過共晶球鐵先析出初生石墨球，而石墨的密度小于鐵水，石墨球會在長大的過程中向上漂浮，如果鑄件過于厚大，冷卻速度緩慢，石墨有充足的時間做漂浮運動，那么就會有非常多的石墨漂浮到近上表面，這就是過共晶的厚大鑄件產生石墨漂浮的主要原因。

因此控制石墨漂浮的主要措施：①降低鑄件CE值，CE值最好小于共晶點;②加快鑄件冷卻速度，尤其是厚大部分的冷卻速度。

2.3 球鐵的凝固收縮

球鐵在凝固過程中會析出奧氏體和石墨，奧氏體的結晶將引起收縮，而石墨的結晶將引起膨脹，即在凝固過程中除產生收縮外還會出現膨脹，這使得球鐵的凝固過程變得極為復雜，糊狀凝固特征為鑄造工藝設計帶來了很大困難。隨著鐵液溫度的降低，鐵合金液相體積在不斷收縮。從微觀上，就是鐵合金系統內的原子動能在不斷降低，原子間距也在不斷減小，凝固到結晶溫度，鐵原子結晶成面心立方結構，最大溶碳能力為2.11%，人們將這種無磁性固溶體稱為奧氏體，奧氏體是密排的點陣結構，致密度高，因此，結晶形成奧氏體鐵液要發生較大的體積收縮，且共晶液相析出奧氏體的凝固收縮一般按照3.5%計算。因此知道析出的奧氏體量，便可以計算出析出奧氏體所導致的體積收縮。

2.4 共晶膨脹

球鐵在這一過程中由于石墨的大量析出，石墨球的形核長大發生膨脹，抵消形成奧氏體時的部分體積收縮，碳的密度約是2.25g/cm3，每析出1%的碳，球鐵的體積會膨脹2.05%～3.4%。因此計算出析出的石墨量，便可以計算出析出石墨所造成的體積膨脹，這也是一般模流軟件后臺的基本邏輯算法。

2.5 球鐵總體積變化量

由以上分析可以看出球鐵的體積變化是收縮和膨脹的動態疊加結果。

△V=∑V液+∑V初+∑V凝+∑V共+∑V固

因此，理解了球墨鑄鐵凝固過程的體積變化便可以很好地指導鑄造工藝設計，選取合適的碳當量和澆注溫度，減少鑄件的縮松、縮孔傾向。

3 措施

由上述球墨鑄鐵凝固體積變化模型，我們可以得出以下一些措施來指導鑄件的工藝設計。

3.1 關注鐵水的冶煉質量

選取合適的碳當量，一般選取4.3到4.4較合適，同時適度提高碳硅比，可以減少縮松傾向。控制鐵水的合金含量與球化的殘余鎂量也是一個重要因素，因為合金元素可以影響奧氏體與石墨的析出。

3.2 澆注溫度

由以上的分析，鑄件每溫降100℃，體積收縮1.5%，因此，鑄件在沒有冷隔或澆注不足的情況，盡可能使用較低的澆注溫度，減少液態收縮，從而減小整個凝固過程的體積收縮，減少鑄件縮松傾向。

3.3 鑄型的剛度

鑄型剛度是實現無冒口工藝的重要條件，鑄件在凝固發生石墨化膨脹時，鑄型如果可以抵住壓力，型壁無法遷移，鑄件膨脹的壓力轉而向內實現自補縮，從而可以實現無冒口鑄造工藝，因此通過一些手段提高鑄型強度也是減少鑄件縮松的手段之一，如在潮模砂鑄造中加耐火磚、石墨塊、冷鐵等都可以提高鑄型剛度。當然鑄件模數也是是否可以實現無冒口工藝的重要條件，一般認為鑄件模數不小于2.5cm是實現無冒口工藝的條件之一。

3.4 冒口頸與內澆口的設置

由以上的分析，球墨鑄鐵件會發生共晶膨脹，因此，對冒口頸和內澆口的設計將產生重大影響。由于球墨鑄鐵共晶膨脹的存在，內澆口宜采取薄片內澆口，在鑄件澆注完畢后快速凝固，這樣球墨鑄鐵件在發生共晶膨脹時鐵液不會被反擠回澆道中去，澆道橫截面的長寬比一般要大于3。同時對于冒口頸來說，同樣具有鑄鐵件在發生共晶膨脹時鐵液會被反擠回去的風險，因此要嚴格控制冒口頸的模數，使在鑄件發生共晶膨脹時冒口頸已經凝固，鑄件無反補冒口的風險，同時注意不要在冒口頸處造成接觸熱節，造成鑄件縮根風險。由于球墨鑄鐵的凝固特性，發現球墨鑄鐵的凝固遠不同于鑄鋼和灰鑄鐵的順序凝固，對鑄造工藝產生了重大影響，因此深入研究球墨鑄鐵的凝固特性對鑄造工藝的設計有重大裨益。

【參考文獻】

【1】李嘉榮.球墨鑄鐵縮孔縮松形成及其預測的研究[D].北京：清華大學，1994.

【2】張博，明智清明，高健三.球墨鑄鐵（基礎、理論、應用）[M].北京：機械工業出版社，1988.