球鐵鑄件縮孔、縮松的成因與防止

1、球鐵鑄件縮孔、縮松的成因與防止球鐵鑄件縮孔、縮松的成因與防止摘要：球墨鑄鐵大多數(shù)是共晶或過共晶成分，其糊狀凝固方式使鑄件外殼沒有抵抗石墨化膨 脹能力，因而鑄型產(chǎn)生型壁遷移，增大鑄件體積，極易產(chǎn)生內(nèi)部縮孔、縮松。球墨鑄鐵凝固 時(shí)，在枝晶和共晶團(tuán)間的最后凝固區(qū)域，收縮的體積得不到完全補(bǔ)充，留下的空洞形成宏觀 及微觀縮松。La有助于消除縮松傾向。分析縮孔縮松形成原因并提出相應(yīng)的防止辦法，有 助于減少由此產(chǎn)生的廢品損失。關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵、收縮、縮孔、縮松1 前言1.1 缺陷形成原因球墨鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)日臻完善，多年技術(shù)服務(wù)的實(shí)踐表明，生產(chǎn)中出現(xiàn)的鑄造缺陷，完全可以用成熟的經(jīng)驗(yàn)予以消除。據(jù)介紹：工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家

2、的鑄造廢品率可以控制在1%以下1,國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平也在 2%左右，提高企業(yè)鑄造技術(shù)水平，對(duì)減少?gòu)U品十分重要。球墨鑄鐵的縮禮、縮松缺陷杲由干鐵滴的滴態(tài)和凝固收縮耳增己的.缺陷分率見走1。走1球黑體就縮打幺吉松品彳的縮松的特價(jià)和就精種舉宗W痔布都侍縮孔鐵液收縮形成較大缺失空間縮孔內(nèi)表卸粗糙熱節(jié)的上部縮松鐵液收縮形成細(xì)小缺失空間連續(xù)或斷續(xù)米粒狀疏松縮孔下方、厚壁中心顯微縮松 顯微鏡觀察微細(xì)連續(xù)缺失空間多角形疏松枝晶間、共晶團(tuán)邊界間眾所周知，灰鑄鐵是逐層凝固方式，球墨鑄鐵是糊狀凝固方式。逐層凝固可以使鑄件凝固時(shí)形成一個(gè)堅(jiān)實(shí)的封閉外殼，鑄件全封閉外殼的體積收縮可以減小殼體內(nèi)的縮孔容積。糊 狀凝固的特點(diǎn)是金屬

3、凝固時(shí)晶粒在金屬液內(nèi)部整個(gè)容積內(nèi)形核、生長(zhǎng)，固相與液相混合存在 有如粥糊。大多數(shù)球墨鑄鐵是共晶或過共晶成分，其糊狀凝固方式使鑄件外殼沒有抵抗石墨 化膨脹的能力，鑄型產(chǎn)生型壁遷移，增大鑄件體積，極易產(chǎn)生內(nèi)部縮孔、縮松缺陷。鑄型冷 卻能力強(qiáng)，有利于鑄件的容積凝固轉(zhuǎn)變成逐層凝固，使鑄件的分散縮松轉(zhuǎn)變成集中縮孔。然 而，批量生產(chǎn)中濕砂型鑄造很難被金屬型或干砂型取代。球墨鑄鐵凝固有以下三個(gè)特點(diǎn)，決定球墨鑄鐵是糊狀凝固方式： 球化和孕育處理顯著增加異質(zhì)核心，核心存在于整個(gè)熔體，有利于全截面同時(shí)結(jié)晶。 石墨球在奧氏體殼包圍下生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速度慢，延緩鑄件表層形成堅(jiān)實(shí)外殼；而片狀石墨的端部始終與鐵液接觸，生長(zhǎng)速度

4、快，凝固時(shí)間短，促使灰鐵鑄件快速形成堅(jiān)實(shí)外殼。球墨鑄鐵比灰鑄鐵導(dǎo)熱率小 20%-30%,散熱慢，外殼生長(zhǎng)速度降低3。糊狀凝固是容積凝固方式，收縮容積量是衡量，冒口也是容積凝固，因此縮松很難用冒 口的方法去除。資料介紹：有學(xué)者通過測(cè)量鑄鐵的收縮、膨脹和冷卻曲線研究凝固形貌與縮孔的關(guān)系。 球墨鑄鐵共晶凝固前期，由于析出奧氏體發(fā)生顯著收縮；共晶后期，石墨球急劇長(zhǎng)大產(chǎn)生膨 脹。人們期望膨脹的體積能夠抵消收縮。但是大多數(shù)膨潤(rùn)土濕砂型的型壁退讓，使膨脹補(bǔ)縮 不能實(shí)現(xiàn)。因此在鑄造工藝上，應(yīng)采用冒口對(duì)球鐵鑄件的熱節(jié)共晶凝固前期進(jìn)行液態(tài)補(bǔ)縮。而后期的共晶膨脹則通過冒口頸的凝固，根據(jù)鑄型型壁硬度，可以適當(dāng)?shù)氖硅T件

5、致密。顯微縮松發(fā)生在鑄鐵最后凝固(Last to Freeze)區(qū)域，簡(jiǎn)稱 LTF區(qū)域。分散在奧氏體枝晶或晶粒 間的金屬液體，收縮后留下微小孔洞，肉眼難于辨認(rèn)。表2縮松的種類、出現(xiàn)部位與產(chǎn)生原因種類宏觀縮松部位分類產(chǎn)生時(shí)間出現(xiàn)部位產(chǎn)生原因局部縮松共晶凝固前期奧氏體枝晶、共晶團(tuán)晶簇間隙熱節(jié)中心最后凝固軸線縮松共晶凝固中期鑄件厚大截面中心線處結(jié)晶時(shí)間長(zhǎng)顯微縮松分散縮松共晶凝固后期整個(gè)截面枝晶臂或共晶團(tuán)間LTF區(qū)無(wú)補(bǔ)縮通道球墨鑄鐵的容積收縮大致可以分成四個(gè)階段:一次收縮(primary contraction):澆入鑄件的液態(tài)金屬溫度降低必然產(chǎn)生液態(tài)收縮。 體積膨脹(volume expansio。

6、：鐵液凝固階段析出奧氏體和石墨，計(jì)算表明每析出3 (C):1%,鑄鐵體積增大 0.89%-0.95% ,實(shí)際鑄鐵體積增大 2%。石墨化只是膨脹原因之一。 二次收縮(secondary contraction):凝固后期奧氏體枝晶與共晶團(tuán)之間鐵液的凝固收縮。 二次收縮鐵液的石墨化膨脹可以抵消顯微縮松。固態(tài)收縮(solid contraction)：鑄件凝固后整體收縮。固態(tài)收縮不產(chǎn)生縮孔、縮松 4。1.2 La球化劑、孕育劑的補(bǔ)縮作用球墨鑄鐵凝固時(shí)的石墨形態(tài)、石墨球數(shù)量和大小、碳化物的數(shù)量等可以通過加入新型球 化劑和孕育劑得到改善。鐵液中生成碳化物的部分，缺少碳原子的析出，沒有石墨膨脹，鐵 液凝固

7、時(shí)體收縮值大。通常用單位面積內(nèi)石墨球數(shù)來(lái)評(píng)定球鐵的冶金質(zhì)量，冶金質(zhì)量好的鑄 鐵，在同樣冷卻速度下，液態(tài)收縮、體積膨脹和二次收縮都小，形成縮孔、縮松和鑄件漲大 變形的傾向小。采用含有金屬La的球化劑和孕育劑，在球墨鑄鐵凝固時(shí)，2-3倍的增加石墨球數(shù)，大幅增加鐵素體量，明顯降低白口傾向，有效消除鑄件熱節(jié)部位縮松。因此，對(duì)那 些采取各種鑄造工藝手段，依然出現(xiàn)縮孔縮松的球鐵鑄件，采用 La孕育劑和球化劑，減小 縮孔縮松的形成，是非常有意義的。本文 2.3節(jié)將著重闡述。2 .球墨鑄鐵鑄件縮孔、縮松的防止2.1 提圖冶金質(zhì)量球墨鑄鐵鑄件縮孔、縮松的成因比較復(fù)雜，影響鑄鐵一次收縮、體積膨脹和二次收縮的 主要

8、因素是冶金質(zhì)量和冷卻速度 4,以及球化劑和孕育劑的原因。球墨鑄鐵冶金質(zhì)量取決 于原鐵液化學(xué)成分、鐵液純凈度和過熱溫度等三項(xiàng)冶金指標(biāo)。球化處理和孕育效果與冶金質(zhì) 量關(guān)系很大，采用 La球化劑、La孕育劑，二次孕育或型內(nèi)孕育，對(duì)提高單位面積球數(shù)最為 有效。La孕育劑通常也被一些工廠用作消除縮松的添加材料。球墨鑄鐵凝固品質(zhì)應(yīng)從奧氏 體枝晶、石墨球數(shù)、共晶晶粒和最后凝固區(qū)域這幾個(gè)方面評(píng)價(jià)。其中，石墨球數(shù)是衡量球墨 鑄鐵凝固品質(zhì)的重要參數(shù)。石墨球數(shù)可明顯改變金屬基體組織，石墨球數(shù)增多，球間距變小， 縮短碳原子擴(kuò)散距離，加速奧氏體一鐵素體+石墨的轉(zhuǎn)化；石墨球數(shù)增多，力學(xué)性能明顯改善，LTF區(qū)面積縮小，減少

9、碳化物、變態(tài)石墨、縮松缺陷。實(shí)際上，石墨球數(shù)增多，使共晶 晶粒數(shù)量多、直徑小，顯著減小 LTF空間體積；石墨球數(shù)增多，石墨球徑明顯減小，力學(xué)性 能顯著提高3。2.1.1 鐵液主要化學(xué)成分(1)碳當(dāng)量：球墨鑄鐵由于受鎂和稀土的影響共晶點(diǎn)右移，(CE) =4.45%-4.5%之間。生產(chǎn)中3(CE) =4.6%-4.8% ,鐵液的流動(dòng)性最好，有利于鑄件成形和補(bǔ)縮。圖1表明碳當(dāng)量與球鐵縮孔體積的關(guān)系。碳當(dāng)量在4.20%時(shí)縮孔體積最大，隨著碳當(dāng)量繼續(xù)增加，縮孔體積開始減小，到碳當(dāng)量4.8%時(shí)縮孔體積最小1。圖2表明碳當(dāng)量與球鐵縮松的關(guān)系。圖中碳當(dāng)量在4.8%時(shí)縮松傾向最小。應(yīng)該說明的是：圖2采用試樣尺寸

10、：90mm x 140mm,用縮松范圍最低部位至試樣底部距離表示縮松 嚴(yán)重程度，距離越大，縮松傾向越小。為此，碳當(dāng)量控制在4.7%-4.8% ,效果最好1。204+5皿（CEM%）412108 6 4704. 35 丸 7 4,955.3圖2球密鑄鐵碳當(dāng)量和縮松的關(guān)系注：試樣尺寸小MmmX 140mnM用綿松范 國(guó)最低部位至試樣底部位置,表示縮松嚴(yán)重程(££逑晶恭自世男制口屋自求察舞圖球墨鑄鐵碳當(dāng)量和集中1縮孔體積的關(guān)系（2）碳和硅：由于石墨密度為2.2g/cm3,鑄鐵的密度為 7g/cm3,同等重量石墨所占體積是鐵液的3.18倍。球墨鑄鐵在不出現(xiàn)石墨漂浮的情況下，提高含碳

11、量可以減小縮孔體積，減少縮松面積，并使鑄件致密。一般以 3（C） : 3.7%-3.9%為好。但是，球墨鑄鐵含碳量高， 為保證球化所需的殘余鎂量要相應(yīng)增多，才能保證球化。硅是促進(jìn)石墨化元素，促進(jìn)碳原子向石墨球積聚。增加硅量，可以減小鑄件縮孔、縮松傾向。因此中小壁厚的鑄件，為防止縮孔、縮松， （Si） : 2.5%-2.8%比較合適。（3）鎰：鎰是碳化物促進(jìn)元素，鐵液中生成滲碳體的部分，缺少碳原子的析出，沒有石墨膨脹，鐵液凝固時(shí)體收縮值大。生產(chǎn)中采用添加銅來(lái)增加珠光體，（Mn） <0.3%為好。（4）磷：含磷量高，鑄件容易出現(xiàn)縮松。磷共晶的體積分?jǐn)?shù)大約是含磷量的20倍，為確保綴按磷共晶小于

12、 1% ,球墨鑄鐵的含磷量應(yīng)小于0.05%。為保證-20 C球墨鑄鐵的韌性應(yīng)遵循Si+6P <3%這樣算來(lái)，如果 （Si） =2.7 %,則應(yīng)（P） < 0.05% o2.1.2 合金元素的影響（1）銅、銀：銅和銀促進(jìn)共晶階段石墨化，銅的石墨化作用相當(dāng)于Si的1/3,鎮(zhèn)相當(dāng)于Si的1/5 o銅對(duì)球墨鑄鐵基體的影響是共晶轉(zhuǎn)變階段，促進(jìn)石墨化，減少和消除游離滲碳體的形成。銅對(duì)鑄件縮孔、縮松不產(chǎn)生影響。銀也是石墨化元素，有降低白口傾向的能力，對(duì) 鑄件縮孔、縮松不產(chǎn)生影響。（2）銘、鑰、鴇、鈿、鋸：銘、鑰、鴇是中等強(qiáng)度的碳化物形成元素，形成（ FeCr） 3C、（FeW） 6c等復(fù)合碳化物

13、，凡是促進(jìn)滲碳體形成的元素都會(huì)增加縮孔、縮松傾向。鈿、鋁是強(qiáng)碳化物形成元素，當(dāng)含 3（V） >0.03%時(shí)會(huì)出現(xiàn)游離滲碳體，通過強(qiáng)化孕育和提高含硅量即使 （V） >0.03%,也可以不出現(xiàn)游離滲碳體。2.1.3 La球化劑、孕育劑球化劑和孕育劑的加入可以影響球墨鑄鐵凝固時(shí)的收縮傾向，而收縮傾向又是與石墨球數(shù)和白口數(shù)量密切相關(guān)。人們發(fā)現(xiàn)，使用不同的稀土元素對(duì)球墨鑄鐵凝固后的金相組織有重要影響。資料介紹6:金屬偶鎂硅鐵球化劑包內(nèi)處理生產(chǎn)球墨鑄鐵時(shí)，可以顯著的改善甚至消除鑄件白口和縮松傾向。表3是該資料作者采用專門評(píng)定熱節(jié)部位縮松面積的十字型桿棒在十字交點(diǎn)中心為中心的12x 12mm2面

14、積內(nèi)進(jìn)行縮松評(píng)價(jià)的結(jié)果。筆者認(rèn)為，表 3最后一列應(yīng)視為特殊情況。有興趣的讀者完全可以自行驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)消除工廠鑄件縮松大有裨益6。麥3球墨釵:鐵十字形試年的相對(duì)縮龍'率6球化劑不含稀土0.5% La1.0% La0.5% Ce1.0% Ce1.0% RE縮松面積（）8.30.00.02.32.038.2表4是球墨鑄鐵的縮孔和縮松體積與灰鑄鐵白口鑄鐵的對(duì)比數(shù)據(jù)。表 3與表4試樣不同, 研究的對(duì)象分別是面積和體積。但還是可以對(duì)不同材質(zhì)的收縮傾向進(jìn)行大致的比較。表4球墨鑄鐵的縮孔和縮松本積與灰鑄鐵、白口鑄鐵和碳鋼的;寸比2材質(zhì)普通灰鑄鐵白口鑄鐵球墨鑄鐵（灰口）球墨鑄鐵（白口）縮孔和縮松體積（）

15、 2.05.06.7-8.6510.35-11.0石墨球數(shù)是衡量球墨鑄鐵凝固品質(zhì)的最重要參數(shù)。經(jīng)La球化劑處理的球墨鑄鐵，石墨球分布的特點(diǎn)是出現(xiàn)大量非常小的石墨球和少量較大的石墨球。這些小石墨球，通常在二次（結(jié)晶）時(shí)在最后凝固區(qū)域出現(xiàn)。這些最后析出和生長(zhǎng)的石墨球，產(chǎn)生石墨膨脹，抵消最后凝固區(qū)域的收縮。這就是當(dāng)冒口停止作用時(shí)，石墨化膨脹抵消收縮，防止產(chǎn)生縮松的原因。2.2 鑄造工藝的影響以上我們考慮了球墨鑄鐵碳硅量低，殘留鎂、殘留稀土過量，碳化物促進(jìn)元素V、Zr、Nb、Cr、Mo、W、Mn、B等，增加收縮傾向，產(chǎn)生縮孔縮松的熔煉因素。球墨鑄鐵鑄件的 縮孔縮松缺陷還可以通過合理的鑄型工藝，設(shè)計(jì)符合

16、鑄件凝固原則或補(bǔ)縮方法的澆注系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)滿足鑄件液態(tài)收縮的冒口等方法，予以解決。2.2.1 縮孔與縮松的種類縮孔、縮松缺陷可以通過表5、表6給出的思路，參考相應(yīng)的技術(shù)著述予以解決。表 5、表6沒有列出的最重要的防止方法是提高冶金質(zhì)量。9號(hào)5常見球墨鑄鐵縮4的種類、部位、原因及防止辦法5縮孔種類部位原因防止辦法熱節(jié)縮孔鑄件最后凝固部位鑄件凝固收縮缺少補(bǔ)充確保熱節(jié)移至冒口內(nèi)冒口頸縮孔冒口頸內(nèi)冒口與鑄件熱節(jié)圓重迭冒口適當(dāng)偏離熱節(jié)內(nèi)澆道縮孔內(nèi)澆道內(nèi)澆道與鑄件熱節(jié)圓重迭減小內(nèi)澆道截面積軸線分散縮孔鑄件厚壁中心部位形成零溫度梯度區(qū)增加冒口有效補(bǔ)縮距離凹角縮孔鑄件壁轉(zhuǎn)角內(nèi)凹角處熱節(jié)確保補(bǔ)縮通道型壁遷移縮孔鑄

17、件最后凝固部位 共晶膨脹使型壁位移冒口合理、鑄型足夠剛度表6常見球墨鑄鐵縮公的種類、部位、原因及優(yōu)止方法5縮松種類部位原因防止辦法熱節(jié)縮松鑄件最后凝固部位鑄件凝固收縮缺少補(bǔ)充內(nèi)外冷鐵，合理設(shè)置冒口晶間縮松:共晶團(tuán)與奧氏體晶間最后凝固區(qū)域無(wú)法補(bǔ)縮二次孕育，La球化劑孕育劑軸線縮松厚大鑄件軸心線部位冒口有效補(bǔ)縮距離之外確保順序凝固移砂縮松最后凝固的厚大部位鑄型剛性不足型壁遷移合理設(shè)置冒口增強(qiáng)鑄型剛性2.2.2 通用冒口鑄件的冒口有補(bǔ)充液態(tài)收縮和出氣的用途。通用冒口適用于順序凝固條件，冒口應(yīng)設(shè)置在鑄件熱節(jié)上部和側(cè)部，后于鑄件凝固；鑄件低部位熱節(jié)，可用冷鐵造成有利補(bǔ)縮的條件； 冒口中有足夠的鐵液補(bǔ)充鑄

18、件的液態(tài)和凝固收縮，并能補(bǔ)充鑄件型壁遷移引起體積擴(kuò)大部分的鐵液。冒口頸不能過長(zhǎng)，擴(kuò)張角向著冒口，并保證遲于鑄件凝固。避免冒口與鑄件熱節(jié)重迭使縮孔留在鑄件內(nèi)。冒口補(bǔ)縮距離為冒口作用區(qū)與末端區(qū)之和，是確定冒口數(shù)量的依據(jù)。球墨鑄鐵具有糊狀凝固特性，采用通用冒口，工藝出品率低，補(bǔ)縮效果較差 4。2.2.3 壓力冒口壓力冒口適用于模數(shù)小于0.48cm的球鐵件。壓力冒口的原理是鑄件液態(tài)收縮結(jié)束，冒口頸凝固，在鑄型內(nèi)體積膨脹的鐵液流向縮孔縮松之處，避免縮孔縮松缺陷。壓力冒口有效體積是鑄件最高部位以上的體積，有效體積應(yīng)大于鑄件體積的3%-6%。見表7。在平衡狀態(tài)下，近似認(rèn)為球墨鑄鐵共晶溫度為1150 C, C

19、E = 4.6,對(duì)于共晶成分的鐵液,從澆注溫度冷卻到共晶溫度的體收縮值£液，可用式（1）表示4£ 液 =(90 + 30X4.6) (Tp 1150) X 10-6(1)式中：Tp鑄件澆注溫度(Pouring Temperature)表7球墨鑄鐵澆注溫度與共/百溫度小同差作.的液態(tài)收縮率及Mn/IIs比值Tp - 1150 （澆注溫度-共晶凝固溫度）1100150200250£液（體收縮值）P 0.02280.03420.04560.0570Mn/Ms （冒口模數(shù)/鑄件關(guān)鍵模數(shù)）2/73/84/91/2薄壁球鐵鑄件也可以用澆注系統(tǒng)替代壓力冒口的作用。超過鑄件最高點(diǎn)

20、的澆口杯和橫澆道是實(shí)質(zhì)上的冒口，內(nèi)澆道起冒口頸作用。Mn的計(jì)算方法如式（2）不難按照高于鑄件最高點(diǎn)水平面以上部分有效體積計(jì)算出冒口的尺寸。壓力冒口是暗冒口，頂部應(yīng)做出向下的砂尖，借助大氣壓力的作用。冒口頸的模數(shù)4:Mn = Ms X （澆注溫度一1150C） / （澆注溫度一1150C+L心）（2）式中：Ms鑄件的關(guān)鍵模數(shù)（Siginificant Modulus）L 鑄鐵的熔化熱（或結(jié)晶潛熱），L = 209 J/g ;C鐵液比熱容，c = 0.835 J/g. c ；由于式中L和C是常數(shù)，L/C = 250.3 C,經(jīng)計(jì)算 Mn/Ms的比值列于表 74。2.2.4 控制壓力冒口控制壓力冒口

21、適用于球墨鑄鐵濕型鑄造Mc =0.48-2.5cm的鑄件。控制壓力冒口首先必須滿足鑄件液態(tài)收縮。與壓力冒口不同是：共晶膨脹初期保持冒口頸暢通，讓鑄件內(nèi)部的鐵液在膨脹壓力下回流至冒口，緩解鑄型的壓力?？刂茐毫γ翱诘淖饔茫鸿T型因向冒口回流部分鐵液，避免漲大變形；尚存部分內(nèi)壓力，克服縮孔縮松。圖3控制壓力冒口示意圖（昌）澆注初：（B）液態(tài)收縮；（c）膨脹回填控制壓力冒口的控制辦法有三種：適時(shí)凍結(jié)冒口頸；暗冒口的溶積控制鑄型鐵液回流量；冒口頸凍結(jié)與冒口容積的雙重控制。冒口應(yīng)設(shè)在靠近鑄件厚大部位，以暗冒口為宜。以鑄件的關(guān)鍵模數(shù)（Ms）,參照?qǐng)D4中Mr與Ms的關(guān)系曲線，選取冒口的模數(shù)（ Mr）。5圖4控制壓力冒口的模數(shù)和殖生關(guān)量模數(shù)的關(guān)系1 一冶金質(zhì)量差;2 冶章后喜總冒口頸的模數(shù) Mn按式（3）確定4。冒口頸應(yīng)為短頸