球铁铸件缩孔、缩松的成因与防止

球铁铸件缩孔、 缩松的成因与防止球铁铸件缩孔、缩松的成因与防止摘要：球墨铸铁大多数是共晶或过共晶成分，其糊状凝固方式使铸件外壳没有抵抗石墨化膨胀能力，因而铸型产生型壁迁移，增大铸件体积，极易产生内部缩孔、缩松。球墨铸铁凝固时，在枝晶和共晶团间的最后凝固区域，收缩的体积得不到完全补充，留下的空洞形成宏观及微观缩松。La有助于消除缩松倾向。分析缩孔缩松形成原因并提出相应的防止办法，有助于减少由此产生的废品损失。关键词：球墨铸铁、收缩、缩孔、缩松1 前言1.1缺陷形成原因球墨铸铁生产技术日臻完善，多年技术服务的实践表明，生产中出现的铸造缺陷，完全可以用成熟的经验予以消除。据介绍：工业发达国家的铸造废品率可以控制在1% 以下 1 ，国内先进水平也在2% 左右，提高企业铸造技术水平，对减少废品十分重要。球墨铸铁的缩孔、缩松缺陷是由于铁液的液态和凝固收缩引起的，缺陷分类见表1。表 1 球墨铸铁缩孔缩松显微缩松的特征和部位种类定义特征部位缩孔铁液收缩形成较大缺失空间缩孔内表面粗糙热节的上部缩松铁液收缩形成细小缺失空间连续或断续米粒状疏松缩孔下方、厚壁中心显微缩松显微镜观察微细连续缺失空间多角形疏松枝晶间、共晶团边界间众所周知，灰铸铁是逐层凝固方式，球墨铸铁是糊状凝固方式。逐层凝固可以使铸件凝固时形成一个坚实的封闭外壳，铸件全封闭外壳的体积收缩可以减小壳体内的缩孔容积。糊状凝固的特点是金属凝固时晶粒在金属液内部整个容积内形核、生长，固相与液相混合存在有如粥糊。大多数球墨铸铁是共晶或过共晶成分，其糊状凝固方式使铸件外壳没有抵抗石墨化膨胀的能力，铸型产生型壁迁移，增大铸件体积，极易产生内部缩孔、缩松缺陷。铸型冷却能力强，有利于铸件的容积凝固转变成逐层凝固，使铸件的分散缩松转变成集中缩孔。然而，批量生产中湿砂型铸造很难被金属型或干砂型取代。球墨铸铁凝固有以下三个特点，决定球墨铸铁是糊状凝固方式：球化和孕育处理显著增加异质核心，核心存在于整个熔体，有利于全截面同时结晶。石墨球在奥氏体壳包围下生长，生长速度慢，延缓铸件表层形成坚实外壳；而片状石墨的端部始终与铁液接触，生长速度快，凝固时间短，促使灰铁铸件快速形成坚实外壳。球墨铸铁比灰铸铁导热率小20%-30%，散热慢，外壳生长速度降低3 。糊状凝固是容积凝固方式，收缩容积量是衡量，冒口也是容积凝固，因此缩松很难用冒口的方法去除。资料介绍：有学者通过测量铸铁的收缩、膨胀和冷却曲线研究凝固形貌与缩孔的关系。球墨铸铁共晶凝固前期，由于析出奥氏体发生显著收缩；共晶后期，石墨球急剧长大产生膨胀。人们期望膨胀的体积能够抵消收缩。但是大多数膨润土湿砂型的型壁退让，使膨胀补缩不能实现。因此在铸造工艺上，应采用冒口对球铁铸件的热节共晶凝固前期进行液态补缩。而后期的共晶膨胀则通过冒口颈的凝固，根据铸型型壁硬度，可以适当的使铸件致密。显微缩松发生在铸铁最后凝固（ Last to Freeze ）区域，简称 LTF 区域。分散在奥氏体枝晶或晶粒间的金属液体，收缩后留下微小孔洞，肉眼难于辨认。表 2缩松的种类、出现部位与产生原因1（2）碳和硅：由于石墨密度为2.2g/ 3，铸铁的密度为7g/ 3，同等重量石墨所占体积是铁液的3.18 倍。球墨铸铁在不出现石墨漂浮的情况下，提高含碳量可以减小缩孔体积，减少缩松面积，并使铸件致密。一般以（C）： 3.7%-3.9% 为好。但是，球墨铸铁含碳量高，为保证球化所需的残余镁量要相应增多，才能保证球化。硅是促进石墨化元素，促进碳原子向石墨球积聚。增加硅量，可以减小铸件缩孔、缩松倾向。因此中小壁厚的铸件，为防止缩孔、缩松，（Si ）： 2.5%-2.8%比较合适。（3）锰：锰是碳化物促进元素，铁液中生成渗碳体的部分，缺少碳原子的析出，没有石墨膨胀，铁液凝固时体收缩值大。生产中采用添加铜来增加珠光体，（Mn ） 0.3% 为好。（ 4）磷：含磷量高，铸件容易出现缩松。磷共晶的体积分数大约是含磷量的20倍，为确保缀按磷共晶小于1% ，球墨铸铁的含磷量应小于。为保证 -20 球墨铸铁的韧性应遵循Si+6P ，这样算来，如果（0.05%Si ）=2.7 % ，则应（ P） 0.05% 。3%2.1.2合金元素的影响（1）铜、镍：铜和镍促进共晶阶段石墨化，铜的石墨化作用相当于Si的 1/3 ，镍相当于Si的1/5 。铜对球墨铸铁基体的影响是共晶转变阶段，促进石墨化，减少和消除游离渗碳体的形成。铜对铸件缩孔、缩松不产生影响。镍也是石墨化元素，有降低白口倾向的能力，对铸件缩孔、缩松不产生影响。（2）铬、钼、钨、钒、铌：铬、钼、钨是中等强度的碳化物形成元素，形成（ FeCr ）3 C、（FeW ） 6C 等复合碳化物，凡是促进渗碳体形成的元素都会增加缩孔、缩松倾向。钒、铌是强碳化物形成元素，当含（ V ） 0.03% 时会出现游离渗碳体，通过强化孕育和提高含硅量即使（ V） 0.03% ，也可以不出现游离渗碳体。球化剂、孕育剂球化剂和孕育剂的加入可以影响球墨铸铁凝固时的收缩倾向，而收缩倾向又是与石墨球数和白口数量密切相关。人们发现，使用不同的稀土元素对球墨铸铁凝固后的金相组织有重要影响。资料介绍6 ： 金属镧镁硅铁球化剂包内处理生产球墨铸铁时，可以显著的改善甚至消除铸件白口和缩松倾向。表3是该资料作者采用专门评定热节部位缩松面积的十字型杆棒在十字交点中心为中心的 12 12mm 2面积内进行缩松评价的结果。笔者认为，表 3 最后一列应视为特殊情况。有兴趣的读者完全可以自行验证结果，对消除工厂铸件缩松大有裨益6 。表 3 球墨铸铁十字形试样的相对缩松率6球化剂不含稀土0.5% La1.0% La0.5% Ce1.0% Ce1.0% RE缩松面积（ % ）8.30.00.02.32.038.23表 4 是球墨铸铁的缩孔和缩松体积与灰铸铁白口铸铁的对比数据。表3 与表 4 试样不同，研究的对象分别是面积和体积。但还是可以对不同材质的收缩倾向进行大致的比较。表 4 球墨铸铁的缩孔和缩松体积与灰铸铁、白口铸铁和碳钢的对比2材质普通灰铸铁白口铸铁球墨铸铁（灰口）球墨铸铁（白口）缩孔和缩松体积（% ） 2.05.06.7-8.6510.35-11.0石墨球数是衡量球墨铸铁凝固品质的最重要参数。经La 球化剂处理的球墨铸铁，石墨球分布的特点是出现大量非常小的石墨球和少量较大的石墨球。这些小石墨球，通常在二次（结晶）时在最后凝固区域出现。这些最后析出和生长的石墨球，产生石墨膨胀，抵消最后凝固区域的收缩。这就是当冒口停止作用时，石墨化膨胀抵消收缩，防止产生缩松的原因。2.2铸造工艺的影响以上我们考虑了球墨铸铁碳硅量低，残留镁、残留稀土过量，碳化物促进元素V、 Zr 、Nb 、Cr 、 Mo 、 W 、 Mn 、 B 等，增加收缩倾向，产生缩孔缩松的熔炼因素。球墨铸铁铸件的缩孔缩松缺陷还可以通过合理的铸型工艺，设计符合铸件凝固原则或补缩方法的浇注系统，设计满足铸件液态收缩的冒口等方法，予以解决。缩孔与缩松的种类缩孔、缩松缺陷可以通过表5、表 6 给出的思路，参考相应的技术著述予以解决。表5、表 6 没有列出的最重要的防止方法是提高冶金质量。表 5 常见球墨铸铁缩孔的种类、部位、原因及防止办法5缩孔种类部位原因防止办法热节缩孔铸件最后凝固部位铸件凝固收缩缺少补充确保热节移至冒口内冒口颈缩孔冒口颈内冒口与铸件热节圆重迭冒口适当偏离热节内浇道缩孔内浇道内浇道与铸件热节圆重迭减小内浇道截面积轴线分散缩孔铸件厚壁中心部位形成零温度梯度区增加冒口有效补缩距离凹角缩孔铸件壁转角内凹角处热节确保补缩通道型壁迁移缩孔铸件最后凝固部位共晶膨胀使型壁位移冒口合理、铸型足够刚度表 6 常见球墨铸铁缩松的种类、部位、原因及防止方法5缩松种类部位原因防止 办 法热节缩松铸件最后凝固部位铸件凝固收缩缺少补充内外冷铁，合理设置冒口晶间缩松共晶团与奥氏体晶间最后凝固区域无法补缩二次孕育， La 球化剂孕育剂轴线缩松厚大铸件轴心线部位冒口有效补缩距离之外确保顺序凝固移砂缩松最后凝固的厚大部位铸型刚性不足型壁迁移合理设置冒口增强铸型刚性通用冒口铸件的冒口有补充液态收缩和出气的用途。通用冒口适用于顺序凝固条件，冒口应设置在铸件热节上部和侧部，后于铸件凝固；铸件低部位热节，可用冷铁造成有利补缩的条件；冒口中有足够的铁液补充铸件的液态和凝固收缩，并能补充铸件型壁迁移引起体积扩大部分的铁液。冒口颈不能过长，扩张角向着冒口，并保证迟于铸件凝固。避免冒口与铸件热节重迭使缩孔留在铸件内。冒口补缩距离为冒口作用区与末端区之和，是确定冒口数量的依据。球墨铸铁具有糊状凝固特性，采用通用冒口，工艺出品率低，补缩效果较差4 。压力冒口压力冒口适用于模数小于0.48cm 的球铁件。压力冒口的原理是铸件液态收缩结束，冒口颈凝固，在铸型内体积膨胀的铁液流向缩孔缩松之处，避免缩孔缩松缺陷。压力冒口有效体积是铸件最高部位以上的体积，有效体积应大于铸件体积的3%-6% 。见表7。在平衡状态下，近似认为球墨铸铁共晶温度为1150， CE = 4.6 ，对于共晶成分的铁液，4从浇注温度冷却到共晶温度的体收缩值液，可用式（1）表示 4 。 液=（ 90 + 30 4.6）（ Tp 1150） 10-6（ 1）式中： Tp 铸件浇注温度（ Pouring Temperature ）表 7球墨铸铁浇注温度与共晶温度不同差值的液态收缩率及Mn/Ms 比值Tp 1150（浇注温度 -共晶凝固温度）100150200250（体收缩值）0.02280.03420.04560.0570液Mn/Ms （冒口模数 /铸件关键模数）2/73/84/91/2薄壁球铁铸件也可以用浇注系统替代压力冒口的作用。超过铸件最高点的浇口杯和横浇道是实质上的冒口，内浇道起冒口颈作用。不难按照高于铸件最高点水平面以上部分有效体积计算出冒口的尺寸。压力冒口是暗冒口，顶部应做出向下的砂尖，借助大气压力的作用。冒口颈的模数Mn的计算方法如式（2）4 ：Mn = Ms （浇注温度 1150） /（浇注温度 1150+L /C ）（2）式中： Ms 铸件的关键模数（Siginificant Modulus）L 铸铁的熔化热 （或结晶潜热） ，L = 209 J/g ；C铁液比热容，c = 0.835 J/g. ；由于式中 L和 C 是常数， L/C = 250.3 ，经计算Mn/Ms的比值列于表74 。控制压力冒口控制压力冒口适用于球墨铸铁湿型铸造Mc=0.48-2.5cm 的铸件。控制压力冒口首先必须满足铸件液态收缩。与压力冒口不同是：共晶膨胀初期保持冒口颈畅通，让铸件内部的铁液在膨胀压力下回流至冒口，缓解铸型的压力。控制压力冒口的作用：铸型因向冒口回流部分铁液，避免涨大变形；尚存部分内压力，克服缩孔缩松。控制压力冒口的控制办法有三种：适时冻结冒口颈；暗冒口的溶积控制铸型铁液回流量；冒口颈冻结与冒口容积的双重控制。冒口应设在靠近铸件厚大部位，以暗冒口为宜。以铸件的关键模数（ Ms），参照图 4 中 Mr 与 Ms 的关系曲线，选取冒口的模数（ Mr ）。5冒口颈的模数MnMn = 0.67Mr按式（3）确定4 。冒口颈应为短颈，截面可选用圆形、椭圆形。（3）控制压力冒口的补缩距离与传统意义不同，应考虑铸件凝固部位向冒口回填铁液，如果铸件内输送距离短，向冒口回填铁液量不足，则铸件释放压力小，铸件内膨胀压力过高，将导致型壁迁移，铸件涨大变形后，内部缩松难以消除。因此复杂铸件应按照铁液输送距离和模数考虑设置多个冒口4 。无冒口无冒口一般用于平均模数大于2. 5cm 的厚大铸件，当冶金质量非常好时，模数小于2.5cm的铸件也可以应用。采用无冒口工艺要求遵循：铁液的冶金质量高，铸型刚度大，采用低温浇注。浇注温度低，减少液态收缩，铁液进入铸型后体积立即膨胀，避免收缩缺陷产生的可能性。尽管以后的共晶膨胀率小，但因模数大可以得到很高的膨胀内压，在坚固的铸型内克服二次收缩的缺陷。浇注温度控制在 1300- 1350之间，采用扁平内浇口，快速分散进入铁液，促进快速凝固，快速建立压力。刚度大的铸型上下箱要用螺栓和卡箍机械锁紧。铸型设置间距 0.5 米直径 20 的明出气孔，均匀分布；生产中无冒口工艺一般要求采用干型，可以设置一个暗冒口，质量不超过铸件总质量的 2% ，通常称为安全冒口。当铸件呈现轻微液态收缩时，暗冒口可以补充铸件收缩。在以后的膨胀期间这个冒口将会被回填满，因此仍属于无冒口补缩范畴4 。3 结束语铸件的废品率关系到能源和资源的巨大损耗。人们常说：目标确定以后，细节决定成败。球墨铸铁缩孔、缩松缺陷往往是一些细节问题没有被重视，从而困扰着很多铸造企业，如何减少由此带来的损失，是摆在每个现场工程技术人员前面的课题。铸造生产需要对各方面问题去较真（包括缩孔、缩松），那样距离铸造强国的目标就不远了。