鑄鐵件產(chǎn)生冷隔的原因及防止措施

楊群收，康晉輝

1.河南省鑄鍛工業(yè)協(xié)會 河南鄭州 463000

2.駐馬店技師學(xué)院 河南駐馬店 463000

1 序言

有些企業(yè)為了防止鑄件出現(xiàn)冷隔，單純提高出爐溫度，而產(chǎn)生冷隔的原因不僅是澆注溫度問題，還與鐵液的化學(xué)成分、澆注技術(shù)也有著密不可分的關(guān)系。在保證鑄件物理性能的要求下，使材質(zhì)的碳當量CE盡可能地靠近共晶點，通常把澆注溫度控制在材質(zhì)熔化溫度以上60~100℃即可，在此溫度的基礎(chǔ)上，根據(jù)鑄件的大小、厚薄、幾何形狀的復(fù)雜程度，以及季節(jié)氣溫的不同，加上出爐、球化處理、轉(zhuǎn)運過程的降溫、澆注過程的降溫，再確定合理的出爐溫度。另外，澆注工人也要據(jù)此而控制澆注速度及調(diào)整澆包距離澆口杯的位置，澆注速度通常是“慢、快、慢”，開始的“慢”是為了使包嘴對準澆口杯，以防澆到鑄型外邊；中間的“快”是為了讓鐵液迅速充滿鑄型；后期的“慢”是為了使鑄型內(nèi)的金屬液，由動壓力逐步變成靜壓力，以減少鑄件產(chǎn)生縮松。建議在生產(chǎn)過程中，采取綜合措施，防止鑄件出現(xiàn)冷隔缺陷。

2 冷隔的特征

冷隔是在鑄件上構(gòu)成未能真正熔合為一體、大小不一及不規(guī)則的空洞、凹坑和縫隙，縫隙穿透或不穿透鑄件壁（見圖1），它們的交界處一般是光滑的圓角。冷隔常產(chǎn)生在鑄件的上表面或遠離內(nèi)澆口的薄壁處。

圖1 冷隔形態(tài)

冷隔缺陷的產(chǎn)生與鐵液的流動性有直接關(guān)系，鐵液從澆注到凝固之前，其流動性經(jīng)歷了三個階段：純液態(tài)流動性；結(jié)晶態(tài)流動性；鐵液前段結(jié)殼合攏。

3 冷隔產(chǎn)生的機理

對于產(chǎn)生冷隔機理的研究，其實就是對影響鐵液流動性諸因素的分析研究。盡管影響鐵液流動性的因素很多，但是歸納起來主要有以下幾方面。

（1）化學(xué)成分和澆注溫度的影響 鐵液的化學(xué)成分及澆注溫度均可影響到鐵液的流動性，圖2為 鐵-碳相圖，圖3為鐵液碳含量與流動性的關(guān)系。

圖2 鐵-碳相圖

澆注溫度越高，鐵液的含熱量越多，流動性就越好。為了比較不同化學(xué)成分鐵液的流動性，我們假設(shè)各種成分的鐵液都取相同的澆注溫度。

圖2表明，對碳含量（質(zhì)量分數(shù)）大于、等于或小于4.3%的鑄鐵，都采用相同的澆注溫度（1400℃）下的狀態(tài)。從圖3可以看出，含碳量越接近共晶成分，純液態(tài)流動距離（時間）越長，液的流動性越好。這是因為碳當量（CE）越接近共晶成分，鐵液開始結(jié)晶凝固點越低，雖然澆注溫度相同，但是因為越接近共晶成分的鐵液過熱度越高，延長了鐵液流動時間，因此流動性就好，從而可以得出如下結(jié)論。

圖3 鐵液碳含量與流動性的關(guān)系

1）在相同的澆注溫度下，由于接近共晶成分鐵液的過熱度相對高，所以流動性好；反之，當鐵液成分遠離共晶成分時，流動性就變差。

2）提高鐵液過熱度是改善流動性的重要措施。

我們知道，鐵液流動性是純液態(tài)流動與結(jié)晶態(tài)流動之和，在相同過熱度時，各種成分鐵液的純液態(tài)流動性基本相同，而在結(jié)晶態(tài)下流動性卻有很大的差別，這是因為不同成分鑄鐵的結(jié)晶特點不同。共晶成分鐵液是在一定的凝固溫度下結(jié)晶，冷卻凝固過程是有表向里逐層凝固的，已凝固的硬殼表面光滑，還未凝固的鐵液在硬殼內(nèi)流動時阻力小，結(jié)晶態(tài)下流動距離長，因此共晶成分鐵液的流動性好。而其他成分鑄鐵的凝固，是在一個溫度范圍內(nèi)進行的（液相線與固相線的溫度距離），即存在開始凝固溫度與凝固終了溫度，有一個液態(tài)和固態(tài)并存的區(qū)域。這個凝固溫度區(qū)域越大，即這個液相＋固相并存區(qū)域就越大，在這種狀態(tài)下，金屬液內(nèi)先生成的樹枝狀結(jié)晶粒，把鐵液隔成許多小熔池，鐵液流經(jīng)迂回曲折，流動阻力較大，因此鐵液在液相＋固相并存區(qū)域內(nèi)結(jié)晶的流動性差。

從以上分析得出，共晶成分鐵液由于有一定凝固溫度，逐層凝固，也就是說鐵液在“凝固-流動-結(jié)晶-流動-凝固”的過程中道路暢通，所以在結(jié)晶態(tài)下的流動性能力強，流動性好；而具有凝固溫度范圍的鐵液，在結(jié)晶態(tài)下的流動性有阻力，所以流動性差。這就是化學(xué)成分與澆注溫度對鐵液流動性的綜合影響。

（2）砂型的特點和澆注條件對鐵液流動性的影響 砂型的特點對流動性的影響，主要表現(xiàn)在砂型的阻力和導(dǎo)熱能力方面。

1）砂型阻力：砂型幾何形狀的不同，對鐵液流動的暢通影響就不同，如斷面的大小、厚薄、幾何形狀的復(fù)雜程度等。

2）導(dǎo)熱性能：要求砂型發(fā)氣量少、透氣性好。加入導(dǎo)熱性能好的附加物（如煤粉、焦炭粉等物），來均勻內(nèi)外層的受熱作用，從而提高其熱體積穩(wěn)定性。

澆注條件對流動性的影響，主要表現(xiàn)在澆注溫度和外力方面。外力方面是指澆注速度的快慢、鐵液流的大小以及澆包距砂型的高低等。

（3）澆冒口系統(tǒng)的設(shè)計 在澆注過程中，鐵液與砂型接觸后，型砂因受熱而產(chǎn)生大量氣體，型腔內(nèi)的氣體受熱也隨之急劇膨脹，二者重合起來使型腔內(nèi)的氣體急劇增加，在此情況下型腔內(nèi)的氣體如果不能順利排出，就會阻礙鐵液的流動和順利充滿鑄型。為此，除要求型砂含水分低、發(fā)氣量少、透氣性能良好之外，還需要合理設(shè)置排氣冒口，多（方位）扎設(shè)排氣眼，并使（如上下箱在沒有開箱起模之前，從上箱扎排氣孔，直接與下箱型砂扎透）排氣管道暢通無阻，這些都是防止鑄件出現(xiàn)冷隔（氣孔）缺陷而在工藝上常采取的有效措施。

4 具體操作中產(chǎn)生冷隔的原因

1）澆注溫度太低，澆注速度過慢，澆注時間過長。

2）化學(xué)成分不合格，碳當量（CE）太低或太高，即遠離了共晶點，降低了鐵液的流動性。

3）鑄件斷面厚薄差太大，或斷面薄且長。鐵液在充型途中，降低了鐵液的流速，鐵液散熱過量，使鐵液不能很好地充滿型腔。

4）澆注過程中意外發(fā)生中斷。

5）當鐵液溫度稍低時，澆包距砂型距離太小，或澆速緩慢，鐵液動壓力不足，使流動性本來就差的鐵液流的更加緩慢。

6）上砂箱太矮，直澆口太短，又沒有加設(shè)澆口杯，致使鐵液動靜壓力不足。

7）砂型太濕，吸熱量過大。型砂受熱后產(chǎn)生大量的水蒸汽，或砂型中煤粉以及其他產(chǎn)生氣體的物質(zhì)太多，導(dǎo)致生成大量的氣體，如果鑄型排氣性能不好，則增加了型腔內(nèi)的氣體阻力，阻礙了金屬液體的流動。

8）出爐溫度過高，金屬液過度氧化，或其中非金屬夾雜物質(zhì)多，降低了鐵液的流動性和熔接性。氧化的鐵液表面白亮，看似溫度很高，但流動性卻差（一線的老師傅稱之為“假高溫、不走路”）。

9）內(nèi)澆道開設(shè)的太薄且長，或內(nèi)澆道開設(shè)的位置不合理，鐵液流經(jīng)內(nèi)澆道時流速慢、散熱量大（薄壁鑄件的內(nèi)澆道厚度可占鑄件厚度的2/3），當鐵液匯集接頭時，各接頭的表面張力已很大而不能互熔，故造成鑄件冷隔。

10）球化處理、扒渣后，沒有加蓋保溫劑。

11）抬包澆注過程中，工人的澆注姿勢不正確，澆注的鐵液流“細、高、慢”，從而延長、增加了鐵液與空氣的接觸時間及面積，使鐵液更加降溫并氧化。

5 防止產(chǎn)生冷隔的措施

1）當金屬液具有適當?shù)臐沧囟燃白銐虻牧鲃有詶l件下，澆注工的操作技術(shù)，對于防止鑄件出現(xiàn)冷隔有著至關(guān)重要的作用。澆注工應(yīng)根據(jù)鑄件的大小、壁厚、幾何形狀的不同，正確控制澆注溫度和澆注速度。一般情況下應(yīng)采用“先快后慢”的澆注方法，“先快”產(chǎn)生的動壓力使鐵液盡快充滿型腔；“后慢”旨在以靜壓力的方式，使型腔內(nèi)的鐵液平穩(wěn)充實。但是如果鑄件的大平面在上面，比如大型變速箱的下箱體，澆注后期不能慢，更不能停。當然澆注這種類型的鑄件，在工藝上還應(yīng)采取如增高上箱高度、加設(shè)足夠高的澆口杯等措施。

2）在不影響鑄件質(zhì)量要求下，調(diào)整、改變化學(xué)成分的含量，使其碳當量（CE）盡量接近共晶點，以提高流動性。

3）沖天爐爐工應(yīng)合理控制風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)口直徑、底焦高度，防止鐵液的氧化?？刂茽t料質(zhì)量，盡可能減少鐵液中的夾雜物，清理干凈包內(nèi)的熔渣，覆蓋保溫集渣劑。

電爐爐工應(yīng)使用質(zhì)量合格的爐料，多次扒渣，并根據(jù)鑄件的大小、厚薄及幾何形狀的不同，控制出爐溫度。

4）為加快鐵液充填鑄型的速度，應(yīng)適當加大澆口的橫斷面積；合理選擇鐵液引入鑄型的位置，盡量縮短鐵液的流程；提高充型的動壓力及靜壓力。

5）選用質(zhì)量合格的煤粉、陶土等添加物，適當減少砂型中發(fā)氣物質(zhì)的用量，提高砂型的透氣性。

6）在鑄型適當?shù)奈恢迷O(shè)置排氣冒口。如果在鑄件的最高處不能直接放置排氣冒口，那就要在最高處的邊部開設(shè)邊排氣冒口。

6 生產(chǎn)實例

例1：某廠生產(chǎn)差速器右殼，采用黏土砂造型，多觸頭微震造型機。球化處理溫度及澆注溫度的改變過程：球化溫度從1490~1510℃降至1410~1430℃，首澆溫度從1410~1390℃逐步降至1360~1380℃、1340~1360℃、1310~1330℃，尾澆溫度均≥1260℃，既解決了鑄件的縮孔缺陷，又避免鑄件產(chǎn)生冷隔缺陷［1］。

例2：某廠生產(chǎn)汽車上的4 11殼鑄件，造型采用樹脂砂套殼工藝，原來的球化處理溫度為1570~1580℃，優(yōu)化后的球化處理工藝見表1[2]。

表1 優(yōu)化后的球化處理工藝

采用優(yōu)化后的球化處理工藝，既解決了鑄件的縮孔缺陷，也沒有再產(chǎn)生冷隔缺陷。

7 結(jié)束語

1）避免鑄件產(chǎn)生冷隔缺陷，不能單純地提高出爐溫度。

2）要解決鑄件的冷隔缺陷，應(yīng)從工藝設(shè)計、熔煉溫度及元素控制、型砂配置、澆注技術(shù)等方面綜合考慮，這樣就可以有效地減少或杜絕冷隔缺陷的產(chǎn)生。