球墨鑄鐵縮松淺析

盧彬彬，許景峰，李永剛

（濰柴重機(jī)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(jī)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(shù)的合理制定與生產(chǎn)過程的嚴(yán)格控制是生產(chǎn)球墨鑄鐵件的關(guān)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(tuán)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(tuán)的生長依賴于碳原子由鐵液穿過固態(tài)的奧氏體外殼擴(kuò)散至石墨球和鐵原子由石墨球-奧氏體界面擴(kuò)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(jìn)行要借助于溫度進(jìn)一步下降來獲得動力，產(chǎn)生新的晶核。即共晶凝固要在一個大的溫度區(qū)間才能完成，這就導(dǎo)致了共晶凝固時存在大的液-固兩相區(qū)，即表現(xiàn)出“糊狀凝固”的特性。

在實際生產(chǎn)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(zhì)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(zhuǎn)變溫度的作用，使球墨鑄鐵的共晶過冷度進(jìn)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(jì)末開始，廣大學(xué)者對球墨鑄鐵凝固過程不斷有新的認(rèn)識，較為統(tǒng)一的觀點認(rèn)為：①對于亞共晶球墨鑄鐵，當(dāng)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(jié)晶屬于“變態(tài)”的共晶，一般稱為離異共晶，即在共晶轉(zhuǎn)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(jié)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(xù)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(chǎn)生過程

縮松一般出現(xiàn)在鑄件最后凝固的區(qū)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(qū)外圍向中心成簇生長。縮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(qū)域中心，并形成枝晶骨架，此時該區(qū)域的鐵液被薄壁處（凝固速度較快的區(qū)域）體積收縮產(chǎn)生的抽吸作用吸走[2]，進(jìn)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(qū)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(xué)者的研究結(jié)論基本相同，都認(rèn)為顯微縮松是出現(xiàn)在粗大的枝晶與石墨-奧氏體共晶團(tuán)之間的間隙，而并非共晶團(tuán)與共晶團(tuán)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(jìn)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(jìn)行鐵液輸送，進(jìn)而補(bǔ)充其凝固過程產(chǎn)生的體積收縮。隨著凝固過程的繼續(xù)進(jìn)行，剩余的熔池被完全封閉，當(dāng)石墨化膨脹的自補(bǔ)能力不足以補(bǔ)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(zhì)量

在同樣化學(xué)成分、冷卻速度下，冶金質(zhì)量好的鑄鐵，凝固過程中的液態(tài)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(zhì)量一般用金相試樣單位面積（mm2）上的石墨球數(shù)來評定。

4.2 化學(xué)成分

鑄件化學(xué)成分中對縮松傾向影響較顯著的主要是碳當(dāng)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(zhì)量的石墨，鑄鐵體積增大約2%。故碳當(dāng)量越大，析出石墨球越多，鑄件凝固時產(chǎn)生的膨脹壓力越大，當(dāng)鑄型剛度足夠時，石墨化膨脹產(chǎn)生的“自補(bǔ)縮”能力越強(qiáng)，鑄件的縮松傾向越小。但是，碳當(dāng)量過高時，在鑄件厚壁處易產(chǎn)生石墨漂浮缺陷，故需根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)、尺寸嚴(yán)格控制碳當(dāng)量。一般認(rèn)為：①控制CE=4.6%～4.7%以下時，可避免石墨漂浮；②當(dāng)ωc+ωSi/7≥3.9%，為鑄件致密區(qū)；③ωc/ωSi=1.18時，球鐵鑄件的體收縮、線收縮最小。

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，鑄造工作者對石墨化膨脹的產(chǎn)生的“自補(bǔ)縮”作用研究的不斷深入，開始意識到石墨析出的時機(jī)對球墨鑄鐵的縮松有很大影響，即只有當(dāng)鐵液進(jìn)出型腔的出入口被凝固組織封閉后，石墨析出的“自補(bǔ)縮”作用才能得到較好的發(fā)揮，故延后石墨析出的時機(jī)，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(fā)生石墨漂浮且沒有初生石墨的前提下，盡量提高碳當(dāng)量，可有效降低縮松傾向。

而有些學(xué)者沿此方向進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)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(jié)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(jìn)石墨球化，孕育處理可以增加石墨形核核心，細(xì)化球狀石墨；③減小晶間偏析。

不難發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)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(shù)等，進(jìn)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(tài)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(fā)生的概率，且會降低冒口的補(bǔ)縮能力。所以球墨鑄鐵的澆注溫度不宜過低。

4.5 鑄件模數(shù)

相同條件下，如果鑄件模數(shù)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(bǔ)縮”作用是無法達(dá)到的，即只要鑄型剛度足夠，球鐵就不會產(chǎn)生收縮的觀點是不對的[6]。所以合理的澆注系統(tǒng)、冒口及冷鐵的設(shè)計運(yùn)用是消除鑄件縮松的關(guān)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(fā)動機(jī)缸體鑄件的縮松缺陷防治

我公司生產(chǎn)的某型號發(fā)動機(jī)缸體鑄件在試制初期存在嚴(yán)重的縮松缺陷而導(dǎo)致鑄件報廢，如圖2所示。

圖2 某型號發(fā)動機(jī)缸體鑄件縮松缺陷

通過對該鑄件的原工藝進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在原工藝下鑄件該處存在較大的熱節(jié)，而冒口距該熱節(jié)處又較遠(yuǎn)，難以發(fā)揮補(bǔ)縮作用。由于鑄件結(jié)構(gòu)原因，該位置處又無法增加冒口，而縮松缺陷又比較嚴(yán)重，單純依靠調(diào)整鑄件的化學(xué)成分、孕育量等參數(shù)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(bǔ)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(bǔ)縮能力。圖3為應(yīng)用MAGMA模擬軟件對新舊工藝的對比分析，分析結(jié)果表明調(diào)整后的新工藝可有效解決縮松缺陷，并且在后續(xù)的生產(chǎn)中得到了驗證。

圖3 某型號發(fā)動機(jī)缸體鑄件模擬分析

6 結(jié)論

（1）在不發(fā)生石墨漂浮且沒有初生石墨的前提下，盡量提高碳當(dāng)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(shè)計合理的澆冒口系統(tǒng)，充分發(fā)揮冒口甚至澆注系統(tǒng)的補(bǔ)縮作用，并配以冷鐵的運(yùn)用，甚至優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)，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(xué)術(shù)會議暨先進(jìn)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(xiàn)代鑄鐵, 1997(01):24-25.

[4] 王文清, 李魁盛. 鑄造工藝學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.10:306.

[5] 馬建華. 鑄鐵縮孔、縮松的熱分析測量與預(yù)防[C]. 第二屆中國環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)鑄造論壇. 2010:257-260.

[6] 洪恒發(fā). 基于球墨鑄鐵凝固原理的補(bǔ)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(chǎn)現(xiàn)場鑄造工藝工作.