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摘要：在铸造缺陷中，体积缺陷（缩孔、缩松）是常见的报废原因，铁水从浇注到凝固，温度迅速降低，铁液内部发生了复杂的物理化学变化与体积变化。在凝固过程中，球墨铸铁的凝固尤为复杂，铸件液态时便会有石墨球和枝状晶析出，并且是在一个很宽的温度范围内进行，所以球墨铸铁是典型的糊状凝固特征，而糊状凝固则是导致铸件出现体积缺陷的主要原因，因此，研究球墨铸铁的凝固过程至关重要，对铸造工艺方法有重大指导意义。论文的目的是针对球墨铸铁的糊状凝固特性，探讨预防缩松、缩孔的工艺方法，以期能对提高铸件质量，减少铸造废品有所裨益。
关键词：球墨铸铁;缩松;缩孔;糊状凝固
1 球墨铸铁件的缩孔、缩松
目前在球墨铸铁件生产中，常有缩松、缩孔现象，并且仅仅总结各种缩松、缩孔的缺陷种类就有近24种，缩松、缩孔会严重影响铸件的力学性能，严重时会出现断裂，造成重大损失。
2 球墨铸铁的凝固
球墨铸铁和其他铸造合金一样，都要经历液态冷却和凝固时的收缩，但有一点与其他铸造合金不同。
2.1试验
球墨铸铁还经历凝固时的一个膨胀期，具体就是3个收缩与1个膨胀。3个收缩：液态收缩，凝固收缩，固相收缩。1个膨胀：石墨化膨胀。所以球墨铸铁的凝固过程是收缩和膨胀的动态叠加。
采用Q10生铁（占40%）、低碳废钢（60%）、石墨电极为原材料，先在3t工频感应电炉中熔化，按球铁原铁水的要求调整成分，浇注成铁锭，其成分（wt%）为：3.80C、0.99Si、0.28Mn、0.028P、0.02S、0.05Cr。以所浇注的铁锭为炉料，在150kg中频感应炉中重熔，碳化硅在铁水出炉前约15min加入炉内铁水表面，加入量为铁水重量的0.5%，粒度小于5mm.球化处理方法为夹层法（在球化剂表面覆盖了铁块或铁屑的包底冲入法），球化剂为稀土镁硅铁合金（6%Mg、1.5%RE），加入量为1.7%，球化处理温度为1480～1520℃。孕育剂为75SiFe，先在球化处理包内进行一次孕育，然后分别经过不后孕育和采用浇口杯后孕育（孕育剂量0.15%）两种方法各浇注的阶梯试块一块（浇注温度为1380～1410℃，铸型为湿型）。对于球铁的液态收缩，宏观表现为铁水液面的下降，微观表现就是铁合金系统内的原子动能在不断降低，原子间距不断减小导致的体积收缩，体积的收缩可由以下公式描述。
2.2试样致密度的分析
1）不同的保压压力下试样同一部位致密度的变化趋势。可以得到，真空差压铸造试样同一部位在不同保压压力下的致密度变化趋势。其次可以看出，真空差压铸造试样同一部位的致密度是随着保压压力的增大而提高的，保压压力从负压到正压，致密度增加趋势明显，随着保压压力的进一步增加，致密度增加的趋势逐渐变小。
2）相同保压压力下试样不同部位致密度的变化趋势
真空差压铸造试样不同部位致密度在同一保压压力下的变化趋势。在同一保压压力下，真空差压铸造的试样浇口部位的致密度最大，从澆口向上部位的致密度先是逐渐减小，到中间部位致密度最小，随后又逐步增大，成V形变化趋势。同时，随着保压压力的增大，试样不同部位的致密度越来越均匀。
2.3 球铁的凝固收缩
球铁在凝固过程中会析出奥氏体和石墨，奥氏体的结晶将引起收缩，而石墨的结晶将引起膨胀，即在凝固过程中除产生收缩外还会出现膨胀，这使得球铁的凝固过程变得极为复杂，糊状凝固特征为铸造工艺设计带来了很大困难。随着铁液温度的降低，铁合金液相体积在不断收缩。从微观上，就是铁合金系统内的原子动能在不断降低，原子间距也在不断减小，凝固到结晶温度，铁原子结晶成面心立方结构，最大溶碳能力为2.11%，人们将这种无磁性固溶体称为奥氏体，奥氏体是密排的点阵结构，致密度高，因此，结晶形成奥氏体铁液要发生较大的体积收缩，且共品液相析出奥氏体的凝固收缩一般按照3.5%计算。因此知道析出的奥氏体量，便可以计算出析出奥氏体所导致的体积收缩。
2.4 共晶膨胀
球铁在这一过程中由于石墨的大量析出，石墨球的形核长大发生膨胀，抵消形成奥氏体时的部分体积收缩，碳的密度约是 2.25g/cm'，每析出1%的碳，球铁的体积会膨胀 2.05%～3.4%。因此计算出析出的石墨量，便可以计算出析出石墨所造成的体积膨胀，这也是一般模流软件后台的基本逻辑算法。
3 措施
由上述球墨铸铁凝固体积变化模型，我们可以得出以下一些措施来指导铸件的工艺设计。
3.1关注铁水的冶炼质量
选取合适的碳当量，一般选取4.3到4.4较合适，同时适度提高碳硅比，可以减少缩松倾向。控制铁水的合金含量与球化的残余镁量也是一个重要因素，因为合金元素可以影响奥氏体与石墨的析出。
3.2 浇注温度
由以上的分析，铸件每温降100℃，体积收缩1.5%，因此，铸件在没有冷隔或浇注不足的情况，尽可能使用较低的浇注温度，减少液态收缩，从而减小整个凝固过程的体积收缩，减少铸件缩松倾向。
3.3 铸型的刚度
铸型刚度是实现无冒口工艺的重要条件，铸件在凝固发生石墨化膨胀时，铸型如果可以抵住压力，型壁无法迁移，铸件膨胀的压力转而向内实现自补缩，从而可以实现无冒口铸造工艺，因此通过一些手段提高铸型强度也是减少铸件缩松的手段之一，如在潮模砂铸造中加耐火砖、石墨块、冷铁等都可以提高铸型刚度。当然铸件模数也是是否可以实现无冒口工艺的重要条件，一般认为铸件模数不小于2.5cm是实现无冒口工艺的条件之一。
3.4 冒口颈与内浇口的设置
由以上的分析，球墨铸铁件会发生共晶膨胀，因此，对冒口颈和内浇口的设计将产生重大影响。由于球墨铸铁共晶膨胀的存在，内浇口宜采取薄片内浇口，在铸件浇注完毕后快速凝固，这样球墨铸铁件在发生共晶膨胀时铁液不会被反挤回浇道中去，浇道横截面的长宽比一般要大于3。同时对于冒口颈来说，同样具有铸铁件在发生共晶膨胀时铁液会被反挤回去的风险，因此要严格控制冒口颈的模数，使在铸件发生共晶膨胀时冒口颈已经凝固，铸件无反补冒口的风险，同时注意不要在冒口颈处造成接触热节，造成铸件缩根风险。由于球墨铸铁的凝固特性，发现球墨铸铁的凝固远不同于铸钢和灰铸铁的顺序凝固，对铸造工艺产生了重大影响，因此深入研究球墨铸铁的凝固特性对铸造工艺的设计有重大裨益。
4熔模铸造球铁的工艺试验
熔模铸造球铁工艺与普通砂型铸造不同，首先化学成分应选择的碳当量偏低，铸态铁素体球铁对锰的限制放宽。其次，热壳浇注使球铁凝固的冷却速度减小，石墨核心存在条件提高，要求具有一定尺寸以上的石墨球存在，在熔体中自由生长时间长，因此与砂铸球铁比较，球径较大，数量少，不同球径石墨的分布规律也不同，并随壳温、壁厚的变化而变化。目前，国内外许多厂家生产的球铁精铸件球化等级、石墨大小均在2级以上，有时甚至产生畸形石墨。为了在生产中得到合理的石墨状态，通过大量试验分析了不同条件下石墨与工艺因素的关系，并指出精铸球铁应得到的优化石墨状态。
结束语
经过对铸件浇注和凝固的模拟和现场测温的结果，并结合实际生产条件，进行了一定的工艺试验研究，对原来的试验进行了一定的改进，主要包括在球铁制备生产工艺、缺陷防治、型壳及浇注系统优化三个方面。
参考文献
[1]李嘉荣.球墨铸铁缩孔缩松形成及其预测的研究[D].北京：清华大学，1994.
关键词：球墨铸铁;缩松;缩孔;糊状凝固
1 球墨铸铁件的缩孔、缩松
目前在球墨铸铁件生产中，常有缩松、缩孔现象，并且仅仅总结各种缩松、缩孔的缺陷种类就有近24种，缩松、缩孔会严重影响铸件的力学性能，严重时会出现断裂，造成重大损失。
2 球墨铸铁的凝固
球墨铸铁和其他铸造合金一样，都要经历液态冷却和凝固时的收缩，但有一点与其他铸造合金不同。
2.1试验
球墨铸铁还经历凝固时的一个膨胀期，具体就是3个收缩与1个膨胀。3个收缩：液态收缩，凝固收缩，固相收缩。1个膨胀：石墨化膨胀。所以球墨铸铁的凝固过程是收缩和膨胀的动态叠加。
采用Q10生铁（占40%）、低碳废钢（60%）、石墨电极为原材料，先在3t工频感应电炉中熔化，按球铁原铁水的要求调整成分，浇注成铁锭，其成分（wt%）为：3.80C、0.99Si、0.28Mn、0.028P、0.02S、0.05Cr。以所浇注的铁锭为炉料，在150kg中频感应炉中重熔，碳化硅在铁水出炉前约15min加入炉内铁水表面，加入量为铁水重量的0.5%，粒度小于5mm.球化处理方法为夹层法（在球化剂表面覆盖了铁块或铁屑的包底冲入法），球化剂为稀土镁硅铁合金（6%Mg、1.5%RE），加入量为1.7%，球化处理温度为1480～1520℃。孕育剂为75SiFe，先在球化处理包内进行一次孕育，然后分别经过不后孕育和采用浇口杯后孕育（孕育剂量0.15%）两种方法各浇注的阶梯试块一块（浇注温度为1380～1410℃，铸型为湿型）。对于球铁的液态收缩，宏观表现为铁水液面的下降，微观表现就是铁合金系统内的原子动能在不断降低，原子间距不断减小导致的体积收缩，体积的收缩可由以下公式描述。
2.2试样致密度的分析
1）不同的保压压力下试样同一部位致密度的变化趋势。可以得到，真空差压铸造试样同一部位在不同保压压力下的致密度变化趋势。其次可以看出，真空差压铸造试样同一部位的致密度是随着保压压力的增大而提高的，保压压力从负压到正压，致密度增加趋势明显，随着保压压力的进一步增加，致密度增加的趋势逐渐变小。
2）相同保压压力下试样不同部位致密度的变化趋势
真空差压铸造试样不同部位致密度在同一保压压力下的变化趋势。在同一保压压力下，真空差压铸造的试样浇口部位的致密度最大，从澆口向上部位的致密度先是逐渐减小，到中间部位致密度最小，随后又逐步增大，成V形变化趋势。同时，随着保压压力的增大，试样不同部位的致密度越来越均匀。
2.3 球铁的凝固收缩
球铁在凝固过程中会析出奥氏体和石墨，奥氏体的结晶将引起收缩，而石墨的结晶将引起膨胀，即在凝固过程中除产生收缩外还会出现膨胀，这使得球铁的凝固过程变得极为复杂，糊状凝固特征为铸造工艺设计带来了很大困难。随着铁液温度的降低，铁合金液相体积在不断收缩。从微观上，就是铁合金系统内的原子动能在不断降低，原子间距也在不断减小，凝固到结晶温度，铁原子结晶成面心立方结构，最大溶碳能力为2.11%，人们将这种无磁性固溶体称为奥氏体，奥氏体是密排的点阵结构，致密度高，因此，结晶形成奥氏体铁液要发生较大的体积收缩，且共品液相析出奥氏体的凝固收缩一般按照3.5%计算。因此知道析出的奥氏体量，便可以计算出析出奥氏体所导致的体积收缩。
2.4 共晶膨胀
球铁在这一过程中由于石墨的大量析出，石墨球的形核长大发生膨胀，抵消形成奥氏体时的部分体积收缩，碳的密度约是 2.25g/cm'，每析出1%的碳，球铁的体积会膨胀 2.05%～3.4%。因此计算出析出的石墨量，便可以计算出析出石墨所造成的体积膨胀，这也是一般模流软件后台的基本逻辑算法。
3 措施
由上述球墨铸铁凝固体积变化模型，我们可以得出以下一些措施来指导铸件的工艺设计。
3.1关注铁水的冶炼质量
选取合适的碳当量，一般选取4.3到4.4较合适，同时适度提高碳硅比，可以减少缩松倾向。控制铁水的合金含量与球化的残余镁量也是一个重要因素，因为合金元素可以影响奥氏体与石墨的析出。
3.2 浇注温度
由以上的分析，铸件每温降100℃，体积收缩1.5%，因此，铸件在没有冷隔或浇注不足的情况，尽可能使用较低的浇注温度，减少液态收缩，从而减小整个凝固过程的体积收缩，减少铸件缩松倾向。
3.3 铸型的刚度
铸型刚度是实现无冒口工艺的重要条件，铸件在凝固发生石墨化膨胀时，铸型如果可以抵住压力，型壁无法迁移，铸件膨胀的压力转而向内实现自补缩，从而可以实现无冒口铸造工艺，因此通过一些手段提高铸型强度也是减少铸件缩松的手段之一，如在潮模砂铸造中加耐火砖、石墨块、冷铁等都可以提高铸型刚度。当然铸件模数也是是否可以实现无冒口工艺的重要条件，一般认为铸件模数不小于2.5cm是实现无冒口工艺的条件之一。
3.4 冒口颈与内浇口的设置
由以上的分析，球墨铸铁件会发生共晶膨胀，因此，对冒口颈和内浇口的设计将产生重大影响。由于球墨铸铁共晶膨胀的存在，内浇口宜采取薄片内浇口，在铸件浇注完毕后快速凝固，这样球墨铸铁件在发生共晶膨胀时铁液不会被反挤回浇道中去，浇道横截面的长宽比一般要大于3。同时对于冒口颈来说，同样具有铸铁件在发生共晶膨胀时铁液会被反挤回去的风险，因此要严格控制冒口颈的模数，使在铸件发生共晶膨胀时冒口颈已经凝固，铸件无反补冒口的风险，同时注意不要在冒口颈处造成接触热节，造成铸件缩根风险。由于球墨铸铁的凝固特性，发现球墨铸铁的凝固远不同于铸钢和灰铸铁的顺序凝固，对铸造工艺产生了重大影响，因此深入研究球墨铸铁的凝固特性对铸造工艺的设计有重大裨益。
4熔模铸造球铁的工艺试验
熔模铸造球铁工艺与普通砂型铸造不同，首先化学成分应选择的碳当量偏低，铸态铁素体球铁对锰的限制放宽。其次，热壳浇注使球铁凝固的冷却速度减小，石墨核心存在条件提高，要求具有一定尺寸以上的石墨球存在，在熔体中自由生长时间长，因此与砂铸球铁比较，球径较大，数量少，不同球径石墨的分布规律也不同，并随壳温、壁厚的变化而变化。目前，国内外许多厂家生产的球铁精铸件球化等级、石墨大小均在2级以上，有时甚至产生畸形石墨。为了在生产中得到合理的石墨状态，通过大量试验分析了不同条件下石墨与工艺因素的关系，并指出精铸球铁应得到的优化石墨状态。
结束语
经过对铸件浇注和凝固的模拟和现场测温的结果，并结合实际生产条件，进行了一定的工艺试验研究，对原来的试验进行了一定的改进，主要包括在球铁制备生产工艺、缺陷防治、型壳及浇注系统优化三个方面。
参考文献
[1]李嘉荣.球墨铸铁缩孔缩松形成及其预测的研究[D].北京：清华大学，1994.