由（yóu）球墨铸铁的（de）凝固特（tè）点认为球铁件易于出（chū）现缩孔缩松缺陷，因（yīn）而其（qí）实现无冒口铸造较为困难。阐述了实现球铁件无冒口铸造（zào）工艺（yì）所应具备的铁液成份、浇（jiāo）注温度、冷铁工艺（yì）、铸型强度和刚度、孕育处（chù）理、铁液过滤和铸（zhù）件模（mó）数等（děng）条件，用大（dà）模数（shù）铸件和小（xiǎo）模数铸件（jiàn）铸（zhù）造工艺（yì）实例（lì）佐证了自（zì）己的观点。

1、球墨铸铁的（de）凝固特点

球（qiú）墨铸铁（tiě）与灰（huī）铸铁（tiě）的（de）凝固方式不（bú）同是由球（qiú）墨与片墨生长方式不同而（ér）造成的。

在亚共晶灰铁中石墨在初（chū）生（shēng）奥氏体（tǐ）的（de）边（biān）缘开始析出后，石墨片的两侧处在（zài）奥氏体（tǐ）的包围（wéi）下从奥氏体中吸收石墨而变厚，石墨片的先端（duān）在（zài）液体中吸收（shōu）石墨而生长。

在球墨铸铁中，由于石墨呈球状，石墨球析出后（hòu）就（jiù）开（kāi）始（shǐ）向周围（wéi）吸收石（shí）墨，周（zhōu）围的液体因为w（C）量（liàng）降低而（ér）变为固态（tài）的（de）奥氏体并且（qiě）将（jiāng）石墨球包（bāo）围；由于（yú）石墨（mò）球处在奥氏体的包围（wéi）中，从奥（ào）氏体（tǐ）中（zhōng）只能吸收的碳较为有限，而液体中的碳通（tōng）过固体向石墨球（qiú）扩散的速（sù）度很慢，被奥氏体（tǐ）包围又***了它的长大；所以，即使球（qiú）墨铸铁（tiě）的碳（tàn）当量比灰（huī）铸铁高很（hěn）多，球铁的石墨化却比较困难，因而也（yě）就没（méi）有足够的（de）石墨化膨胀来抵消凝固（gù）收缩（suō）；因此，球墨铸铁容易（yì）产（chǎn）生缩孔。

另（lìng）外，包裹石（shí）墨球的奥氏体层厚（hòu）度一般是石墨球（qiú）径的1.4倍（bèi），也就是说石（shí）墨（mò）球（qiú）越大（dà）奥氏体层越厚，液体（tǐ）中（zhōng）的碳通过奥氏体（tǐ）转移至（zhì）石墨球（qiú）的难度也越大。

低硅球墨铸铁容易产生白口的（de）根本（běn）原因也（yě）在于球墨铸铁的（de）凝固（gù）方式。如上所述，由于球墨铸铁石墨化困难，没有足（zú）够的由石（shí）墨化（huà）产生的结晶潜热向铸型（xíng）内释放而增大了过冷度，石墨（mò）来不（bú）及析出就形（xíng）成了（le）渗碳体。此外，球（qiú）墨铸铁孕育衰退快，也是极易发生过（guò）冷（lěng）的因素之一。

2.球墨铸铁无（wú）冒口铸造的条（tiáo）件

从球墨铸铁的凝（níng）固特（tè）点不难看（kàn）出，球墨铸铁（tiě）件要（yào）实（shí）现无冒口铸造的难度较大。笔者根据自己多年的生产实践经验，对球墨铸铁实现无冒口铸造（zào）工（gōng）艺所需（xū）具（jù）备的条件作了一些归（guī）纳总（zǒng）结，在此与（yǔ）同行分享（xiǎng）。

2.1铁液成分的选择

（1）碳当量（CE）

在同等条件下，微（wēi）小的（de）石（shí）墨在铁液中容易溶解并且不容易（yì）生长；随着（zhe）石墨长（zhǎng）大，石墨的生长速度也变快，所以使铁液在共晶（jīng）前就产（chǎn）生初生石（shí）墨（mò）对促进（jìn）共晶（jīng）凝固石墨（mò）化（huà）是非（fēi）常有利的。过共晶成分的铁液就能满足这样的条件，但（dàn）过高的CE值使石墨在共（gòng）晶凝固前就（jiù）长大，长大到一定尺寸（cùn）时（shí）石墨开（kāi）始上浮，产生石（shí）墨漂浮缺陷。这时（shí），由石墨（mò）化（huà）引起的体积膨胀只会造成铁液（yè）液面上升，不但对铸件的补缩（suō）毫（háo）无（wú）意义（yì），而且由于石墨在液态时吸收了大量的碳，反而造成在共晶凝固时铁（tiě）液中的w（C）量低不能产生足（zú）够的共晶石墨，也就不能抵消由于（yú）共晶凝（níng）固造成的收（shōu）缩（suō）。实践证明，能够将CE值控（kòng）制在4.30%~4.50%是***理想的。

（2）硅（Si）

一般认（rèn）为在（zài）Fe-C-Si系合金中， Si是石墨化元素，w（Si）量高有利于（yú）石墨化膨胀，能（néng）够减少缩孔（kǒng）的发（fā）生。很少有人知道，Si是阻碍共晶（jīng）凝固石墨（mò）化的。所（suǒ）以，不论从补缩的（de）角度（dù）考虑，还是从防止碎块状石墨（mò）产生的角度考虑，只要能通过强化（huà）孕育（yù）等措施（shī）防止白口产生，都要尽（jìn）可能（néng）地降低w（Si）量。

（3）碳（C）

在（zài）合理的CE值条件（jiàn）下（xià），尽可能（néng）提高w（C）量。事实证明球（qiú）墨铸（zhù）铁的w（C）量控制（zhì）在（zài）3.60%~3.70%，铸件具有***小的收缩（suō）率。

（4）硫（S）

S是阻碍石墨球化的主要元素（sù），球（qiú）化（huà）处理的主要目的就（jiù）是脱S，但球墨铸（zhù）铁孕育衰退快（kuài）与（yǔ）w（S）量太（tài）低有直接关系；所以，适当的w（S）量（liàng）是（shì）必要的。可以将w（S）量控制在0.015%左右，利用MgS的成核作用增加石墨核心质点（diǎn）以增加（jiā）石墨球数，减（jiǎn）少衰（shuāi）退。

（5）镁（měi）（Mg）

Mg也（yě）是阻碍石墨化的元素，所以在保证球化率（lǜ）能（néng）够（gòu）达（dá）到90%以上的前提下，Mg应尽（jìn）可能低（dī）。在原（yuán）铁液w（O）、w（S）量（liàng）不高的条件下，残留w（Mg）量能够控（kòng）制在0.03%~0.04%是（shì）***理想（xiǎng）的。

（6）其他元素

Mn、P、Cr等所有阻碍石墨化的元素越低越（yuè）好。

要注（zhù）意微量元（yuán）素的影响，如Ti。当（dāng）w（Ti）量低时，是强力促（cù）进石墨（mò）化元素，同时Ti又是（shì）碳化物形（xíng）成元素，又是（shì）影响球（qiú）化促进蠕（rú）虫状（zhuàng）石墨产生的（de）元素，所（suǒ）以w（Ti）量（liàng）控制得越低越（yuè）好。笔（bǐ）者公司曾经有一个非常成熟的（de）无冒口铸造工艺（yì），由于一时原材料短（duǎn）缺（quē）而使用了w（Ti）量为0.1%的生铁，生产（chǎn）出的铸件（jiàn）不但表面有缩陷（xiàn），加工后内部也出现了集中型缩（suō）孔。

总之，纯净原材料对提高球墨铸铁（tiě）的（de）自补（bǔ）缩能力是有（yǒu）利的。

2.2浇注温度（dù）

有实验（yàn）表明，球墨铸铁（tiě）的浇注（zhù）温度从（cóng）1350℃到1500℃对铸件收缩（suō）的体积没有明显（xiǎn）的影（yǐng）响，只不过缩孔的（de）形态从（cóng）集中型逐渐向分散型过度。石墨（mò）球（qiú）的尺寸也随着浇（jiāo）注温度（dù）的升（shēng）高逐渐变大，石墨球的数量逐渐减少。所以没有必要苛求过低（dī）的浇注温度，只要铸（zhù）型强度足够抵抗铁液的静压力，浇注温度（dù）可以（yǐ）高一些。通（tōng）过铁液加（jiā）热铸型减少共晶凝固时（shí）的过冷度，使石墨化（huà）有充（chōng）足的（de）时间进行。不（bú）过，浇注速（sù）度要尽可能地快，以尽量减少型内铁液的（de）温度差。

2.3冷铁

根据（jù）笔者使（shǐ）用冷铁的经（jīng）验及（jí）利（lì）用以上理论分析（xī），冷（lěng）铁能够（gòu）消除缩孔缺（quē）陷的说法并不（bú）确切。一方面（miàn），局部使用冷铁（如打孔部位），只（zhī）能使（shǐ）缩（suō）孔（kǒng）转移而不是消除缩孔；另一方面，大（dà）面积地使（shǐ）用冷（lěng）铁而获得了减（jiǎn）少补缩或（huò）无冒口的效果，只是无意识地增（zēng）加了铸型强（qiáng）度而不是冷铁（tiě）减少了液体或共晶凝固（gù）收缩。事实上（shàng），如果冷铁（tiě）使用过多，影（yǐng）响了（le）石墨球（qiú）的长大及石墨化的（de）程度，相反会加剧收缩。

2.4铸型（xíng）强度和（hé）刚（gāng）度

由于球（qiú）铁大（dà）都选择共（gòng）晶或（huò）过共晶成（chéng）分，铁液在铸型中冷却至共晶温度所经（jīng）过的（de）时间较长，也（yě）就（jiù）是铸型所（suǒ）承受的铁液静压力的时间要比亚共晶成分的灰铸铁要长（zhǎng），铸型也就更容易产生压缩性变形。当石墨化（huà）膨胀引起的体（tǐ）积增加不能抵消液（yè）体收缩+凝固收（shōu）缩+铸型（xíng）变形体积时，产生缩孔也就在所难免。所（suǒ）以，足够的（de）铸型刚度及抗压强（qiáng）度是（shì）实（shí）现无冒口铸（zhù）造的重要条件，有许（xǔ）多覆砂铁（tiě）型铸造工艺实现无冒口铸造既是这（zhè）一理（lǐ）论的证明。

2.5孕育处理

强效孕育剂及瞬时延后（hòu）孕育工艺既能给予铁液（yè）大量的核心质点，又能防止（zhǐ）孕育（yù）衰退，能够保证球墨铸铁在（zài）共晶凝固（gù）时有足（zú）够的石墨球（qiú）数；多（duō）而小（xiǎo）的石墨球减少（shǎo）了液体中的C向（xiàng）石（shí）墨核心转移的（de）距离，加快了石墨（mò）化速度，短时内大量的共晶凝固又能释放出（chū）较多（duō）的结晶（jīng）潜（qián）热（rè），减（jiǎn）少了过冷度，既能防止（zhǐ）白口的产（chǎn）生（shēng），又能加（jiā）强石墨（mò）化膨胀。因而。强效孕育对提高（gāo）球墨（mò）铸（zhù）铁的（de）自补缩能力至关（guān）重要。

2.6铁（tiě）液过滤（lǜ）

铁液（yè）经过过滤（lǜ），滤除（chú）了部分氧化（huà）夹杂，使铁液的微观流动性增强，可以降（jiàng）低（dī）微观缩（suō）孔的（de）产生几率。

2.7铸件模数（shù）

由于铸态（tài）珠光（guāng）体球铁需要加入阻碍石墨化的元素，这会影（yǐng）响石墨化程度，对铸件实现自补缩目的有一定（dìng）影响，所以有（yǒu）资料介绍，无冒口铸造适用于牌号在QT500以（yǐ）下的球墨（mò）铸铁。除此之外（wài），由铸件（jiàn）的（de）形状尺寸所决（jué）定的模数（shù）应在3.1cm以上。

值得注意（yì）的是（shì），厚度＜50mm的板（bǎn）类铸件实现无冒口铸（zhù）造是困（kùn）难的。

也有资料（liào）介绍（shào），对（duì）QT500以上（shàng）的球墨铸（zhù）铁（tiě）实现无冒口铸造工艺的条件是其模数应大于3.6cm。

3.应用实例介绍

3.1大模数（shù）铸件无冒口铸造工艺实例

材料牌（pái）号为GGG70的（de）风电增速器行星支架铸件，重（chóng）量为（wéi）3300kg，轮廓尺寸为φ1260×1220mm，铸件模（mó）数约为5.0cm。铸（zhù）件成分为：w（C）3.62%；w（Si）2.15%；w（Mn）0.25%；w（P）0.035%；w（S）0.012%；w（Mg）0.036%；w（Cu）0.98%。浇注温度为1370~1380℃

考虑到铁液（yè）对铸型下部的（de）压力较大，容易（yì）使铸型下部产生压缩变形，所以客户推荐将冷铁主（zhǔ）要集中放置在下部（如图1）。根（gēn）据以往的经验（yàn），开始试制时，我们决定使用无冒口铸造工艺，也就是图1去掉冒口（kǒu）的（de）工艺。虽然客（kè）户请***人员对所试制（zhì）铸件（jiàn）做超声（shēng）探伤并未发现有内部缺陷，解剖（pōu）结果也未发现缩孔缺（quē）陷（xiàn）。但对照其它相关资料及客户提供的参考工（gōng）艺，我们对这么（me）重要的铸（zhù）件批（pī）量（liàng）生（shēng）产后（hòu）一旦发生缩孔缺陷的后果甚为担心，所以对图1工艺进行了凝固模拟试验，模拟结果（guǒ）如图（tú）2。

图1 推（tuī）荐的冒口补缩工艺

图2 根（gēn）据图1工（gōng）艺的模（mó）拟结（jié）果

从模拟结果可见，液态收缩已（yǐ）经将包括内（nèi）部的3个Φ140×170mm圆（yuán）形发热保温冒（mào）口及（jí）外侧的3个320×200×320mm腰圆（yuán）形（xíng）发热保（bǎo）温冒口内的铁液全部用（yòng）尽；因而，我们在原有320×200×320mm发热（rè）保温冒口的（de）上面（miàn）再加上1个同等（děng）大小的冒口（kǒu），即（jí）将冒口尺寸改为320×200×640mm。但是，浇铸后的结果却是所有冒口一点（diǎn）收缩的痕迹也没有，从而证实了（le）这（zhè）个铸件完全可以实现（xiàn）无冒（mào）口铸（zhù）造。

3.2小模数铸件有冒口铸造实例

图3所（suǒ）示的蜂窝板材料牌号为QT500-7，长×宽（kuān）×高尺寸为1 230×860×32 mm，铸（zhù）件模数M=3.2/2=1.6 cm。

图3 蜂窝板毛坯图（tú）

此铸件（jiàn）模数（shù）远小于3.1cm，显然不适用（yòng）于无冒口铸造（zào）工艺，但试制时为（wéi）了提高工艺出（chū）品率，采（cǎi）用了（le）立浇雨淋式浇口（图4），原意是想使铸件在凝固时产生自上而下的温（wēn）度梯度，以利（lì）用横浇口补缩，但结果（guǒ）却是（shì）在铸件的中间部位加工（gōng）后产生了大面积（jī）连通性缩孔（kǒng）（图4中双点划线处）。试（shì）制4件（jiàn）无（wú）一（yī）件成品。

图4 试制工艺方案示意图

于是，我（wǒ）们改变（biàn）思路，制定了如图5所示的卧浇（jiāo）、冷铁加冒口工艺。用冷铁将铸件分割成9部分，每部分的中央（yāng）放置冒口。改进后的工艺出品（pǐn）率大于75%，产品（pǐn）质量稳定，废品率（lǜ）在2.0%以（yǐ）下，由于原材（cái）料和（hé）工艺都（dōu）较稳定（dìng），加工后几乎没有废品（pǐn）。

图5 改进后的成熟工艺