淺談球墨鑄鐵凝固特性對(duì)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(bào)廢原因，鐵水從澆注到凝固，溫度迅速降低，鐵液內(nèi)部發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化與體積變化。在凝固過程中，球墨鑄鐵的凝固尤為復(fù)雜，鑄件液態(tài)時(shí)便會(huì)有石墨球和枝狀晶析出，并且是在一個(gè)很寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)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(dǎo)致鑄件出現(xiàn)體積缺陷的主要原因，因此，研究球墨鑄鐵的凝固過程至關(guān)重要，對(duì)鑄造工藝方法有重大指導(dǎo)意義。論文的目的是針對(duì)球墨鑄鐵的糊狀凝固特性，探討預(yù)防縮松、縮孔的工藝方法，以期能對(duì)提高鑄件質(zhì)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(guān)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(hào)】TG245? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】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(chǎn)中，常有縮松、縮孔現(xiàn)象，并且僅僅總結(jié)各種縮松、縮孔的缺陷種類就有近24種，縮松、縮孔會(huì)嚴(yán)重影響鑄件的力學(xué)性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)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(jīng)歷液態(tài)冷卻和凝固時(shí)的收縮，但有一點(diǎn)與其他鑄造合金不同。

球墨鑄鐵還經(jīng)歷凝固時(shí)的一個(gè)膨脹期，具體就是3個(gè)收縮與1個(gè)膨脹。3個(gè)收縮：液態(tài)收縮，凝固收縮，固相收縮。1個(gè)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(dòng)態(tài)疊加結(jié)果[1]。

2.1 液態(tài)收縮

對(duì)于球鐵的液態(tài)收縮，宏觀表現(xiàn)為鐵水液面的下降，微觀表現(xiàn)就是鐵合金系統(tǒng)內(nèi)的原子動(dòng)能在不斷降低，原子間距不斷減小導(dǎo)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(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的液態(tài)收縮量。

αSL為合金的液態(tài)體積收縮系數(shù)。

Tt為體積V0在t時(shí)刻的溫度。

Tt+△t為體積V0在t+△t時(shí)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(zhì)和溫度差有關(guān)，收縮量會(huì)因鐵合金化學(xué)成分和外界條件的不同略有差異，有公式計(jì)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(jié)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(dāng)溫度低于石墨液相線時(shí)，將析出初生石墨球，在初生石墨球生長(zhǎng)過程中，由于石墨與鐵水直接接觸，碳原子的擴(kuò)散要容易得多，石墨球的長(zhǎng)大受碳原子在鐵水中的擴(kuò)散速度影響，長(zhǎng)大到一定尺寸后石墨球被奧氏體外殼包圍，隨后石墨球?qū)⒗^續(xù)長(zhǎng)大直到共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束。

所以發(fā)生初期石墨化膨脹的條件CEX-CE0>0;CE0為共晶點(diǎn)CE值，CEX為球鐵實(shí)際CE值。

初生碳析出量的計(jì)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(huì)膨脹2.05%～3.4%，因此，由上述公式就可以計(jì)算出初生碳析出量所導(dǎo)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(huì)在長(zhǎng)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(shí)間做漂浮運(yùn)動(dòng)，那么就會(huì)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(chǎn)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(diǎn);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(huì)析出奧氏體和石墨，奧氏體的結(jié)晶將引起收縮，而石墨的結(jié)晶將引起膨脹，即在凝固過程中除產(chǎn)生收縮外還會(huì)出現(xiàn)膨脹，這使得球鐵的凝固過程變得極為復(fù)雜，糊狀凝固特征為鑄造工藝設(shè)計(jì)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(tǒng)內(nèi)的原子動(dòng)能在不斷降低，原子間距也在不斷減小，凝固到結(jié)晶溫度，鐵原子結(jié)晶成面心立方結(jié)構(gòu)，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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，致密度高，因此，結(jié)晶形成奧氏體鐵液要發(fā)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(jì)算。因此知道析出的奧氏體量，便可以計(jì)算出析出奧氏體所導(dǎo)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(zhǎng)大發(fā)生膨脹，抵消形成奧氏體時(shí)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(huì)膨脹2.05%～3.4%。因此計(jì)算出析出的石墨量，便可以計(jì)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(tái)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(dòng)態(tài)疊加結(jié)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(dǎo)鑄造工藝設(shè)計(jì)，選取合適的碳當(dāng)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(dǎo)鑄件的工藝設(shè)計(jì)。

3.1 關(guān)注鐵水的冶煉質(zhì)量

選取合適的碳當(dāng)量，一般選取4.3到4.4較合適，同時(shí)適度提高碳硅比，可以減少縮松傾向?？刂畦F水的合金含量與球化的殘余鎂量也是一個(gè)重要因素，因?yàn)楹辖鹪乜梢杂绊憡W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(tài)收縮，從而減小整個(gè)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(shí)現(xiàn)無冒口工藝的重要條件，鑄件在凝固發(fā)生石墨化膨脹時(shí)，鑄型如果可以抵住壓力，型壁無法遷移，鑄件膨脹的壓力轉(zhuǎn)而向內(nèi)實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮，從而可以實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造工藝，因此通過一些手段提高鑄型強(qiáng)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(dāng)然鑄件模數(shù)也是是否可以實(shí)現(xiàn)無冒口工藝的重要條件，一般認(rèn)為鑄件模數(shù)不小于2.5cm是實(shí)現(xiàn)無冒口工藝的條件之一。

3.4 冒口頸與內(nèi)澆口的設(shè)置

由以上的分析，球墨鑄鐵件會(huì)發(fā)生共晶膨脹，因此，對(duì)冒口頸和內(nèi)澆口的設(shè)計(jì)將產(chǎn)生重大影響。由于球墨鑄鐵共晶膨脹的存在，內(nèi)澆口宜采取薄片內(nèi)澆口，在鑄件澆注完畢后快速凝固，這樣球墨鑄鐵件在發(fā)生共晶膨脹時(shí)鐵液不會(huì)被反擠回澆道中去，澆道橫截面的長(zhǎng)寬比一般要大于3。同時(shí)對(duì)于冒口頸來說，同樣具有鑄鐵件在發(fā)生共晶膨脹時(shí)鐵液會(huì)被反擠回去的風(fēng)險(xiǎn)，因此要嚴(yán)格控制冒口頸的模數(shù)，使在鑄件發(fā)生共晶膨脹時(shí)冒口頸已經(jīng)凝固，鑄件無反補(bǔ)冒口的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)注意不要在冒口頸處造成接觸熱節(jié)，造成鑄件縮根風(fēng)險(xiǎn)。由于球墨鑄鐵的凝固特性，發(fā)現(xiàn)球墨鑄鐵的凝固遠(yuǎn)不同于鑄鋼和灰鑄鐵的順序凝固，對(duì)鑄造工藝產(chǎn)生了重大影響，因此深入研究球墨鑄鐵的凝固特性對(duì)鑄造工藝的設(shè)計(jì)有重大裨益。

【參考文獻(xiàn)】

【1】李嘉榮.球墨鑄鐵縮孔縮松形成及其預(yù)測(cè)的研究[D].北京：清華大學(xué)，1994.

【2】張博，明智清明，高健三.球墨鑄鐵（基礎(chǔ)、理論、應(yīng)用）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.