由球墨铸铁（tiě）的凝固特点认为（wéi）球铁（tiě）件易（yì）于出（chū）现缩孔缩松缺陷，因而（ér）其实现（xiàn）无冒（mào）口铸造（zào）较为困（kùn）难（nán）。阐（chǎn）述（shù）了实（shí）现球铁件无冒口铸（zhù）造工艺所应具备的铁（tiě）液成（chéng）份（fèn）、浇注（zhù）温度、冷铁（tiě）工艺、铸型强度和刚度、孕育（yù）处理、铁液过滤和铸件（jiàn）模数等条件，用大模数铸件和小（xiǎo）模数铸件铸造（zào）工艺实例（lì）佐证了自（zì）己的（de）观点。

1、球墨铸铁的凝固特（tè）点（diǎn）

球墨铸（zhù）铁与灰铸铁的凝固方式不同（tóng）是由球墨与片墨（mò）生（shēng）长方式不同而造成的。

在亚共晶灰（huī）铁中石墨在初生奥（ào）氏体的边缘开始析出后，石墨（mò）片的两侧（cè）处（chù）在奥氏体（tǐ）的包围下从奥氏体中吸收石墨而变厚（hòu），石墨片的先端在（zài）液体中吸收石墨而生长（zhǎng）。

在球（qiú）墨铸铁中，由于（yú）石墨呈球状，石墨球析出后就开始向周围吸收石（shí）墨，周（zhōu）围（wéi）的（de）液（yè）体因（yīn）为w（C）量降低而变为（wéi）固态的奥氏体并且（qiě）将石墨（mò）球（qiú）包围；由于石墨（mò）球处在奥氏（shì）体的包围（wéi）中，从奥氏体中只能吸收的碳较为有（yǒu）限，而液（yè）体（tǐ）中的（de）碳通（tōng）过固体向石墨球扩散（sàn）的速（sù）度很慢，被奥氏体包（bāo）围又***了它的长大；所以，即（jí）使球墨铸铁的碳当量比灰（huī）铸铁（tiě）高很多，球铁（tiě）的石（shí）墨化却比较困难，因（yīn）而也（yě）就（jiù）没有足够的石墨化膨胀来抵消（xiāo）凝固（gù）收缩；因此，球墨铸铁容易（yì）产生（shēng）缩（suō）孔。

另外，包裹石墨球（qiú）的奥氏体层厚度（dù）一（yī）般是石墨球径（jìng）的1.4倍，也就是说石墨球越（yuè）大奥氏体层（céng）越厚（hòu），液体（tǐ）中的碳（tàn）通过奥（ào）氏体转（zhuǎn）移至石墨（mò）球的难度也越大。

低硅球墨铸铁（tiě）容（róng）易产生白口（kǒu）的根本原因也在于球墨铸铁的凝固方式。如（rú）上所（suǒ）述，由于（yú）球墨（mò）铸铁石墨化困难，没有足够（gòu）的由石墨化产生的（de）结（jié）晶潜（qián）热向铸型内释（shì）放而（ér）增大了过冷度，石墨来不及析出就形成了（le）渗（shèn）碳体。此（cǐ）外（wài），球墨铸铁孕育衰（shuāi）退快，也是（shì）极易发生（shēng）过冷（lěng）的因素之一。

2.球墨铸铁无冒口铸造的（de）条件

从球墨铸铁（tiě）的凝固特点不难看出（chū），球墨（mò）铸铁件要（yào）实（shí）现无（wú）冒口铸造的难（nán）度较（jiào）大。笔（bǐ）者根据自己（jǐ）多年的生产（chǎn）实践经验，对球墨铸（zhù）铁实现无冒口铸造工艺所需具备的条（tiáo）件作了一些归纳（nà）总结，在此与同（tóng）行（háng）分享。

2.1铁液成分（fèn）的（de）选（xuǎn）择（zé）

（1）碳（tàn）当量（CE）

在同等条件下，微小的石墨在铁液中容易溶解并（bìng）且不容易（yì）生长；随着石墨长大，石墨（mò）的（de）生长速度也变快，所以使（shǐ）铁液在共晶前就产（chǎn）生初（chū）生石墨对促进（jìn）共晶（jīng）凝固石墨化是非（fēi）常有利的。过共（gòng）晶成分（fèn）的铁液（yè）就能满足（zú）这样的条件，但过高的CE值使石墨在共（gòng）晶凝固前（qián）就（jiù）长大，长大到一（yī）定尺（chǐ）寸时石墨开（kāi）始上浮，产（chǎn）生石（shí）墨漂浮缺（quē）陷（xiàn）。这时，由石墨（mò）化引起的体积膨胀只会造成铁（tiě）液（yè）液面（miàn）上升，不但对铸件的补缩毫无意义，而且由于（yú）石墨（mò）在液态时吸收了大量的碳，反而造（zào）成在共晶（jīng）凝固时（shí）铁液中的w（C）量低不能产生足够的共晶（jīng）石墨，也就不能抵消由于共晶凝固造（zào）成的收缩。实践证明，能够（gòu）将CE值（zhí）控（kòng）制在4.30%~4.50%是***理想的。

（2）硅（Si）

一般认为（wéi）在Fe-C-Si系合金中， Si是石（shí）墨化元素，w（Si）量高有利于石（shí）墨化膨胀，能够减少缩孔的发生。很（hěn）少有人知（zhī）道（dào），Si是（shì）阻（zǔ）碍共晶凝固（gù）石墨化的。所（suǒ）以，不论（lùn）从补缩的角度考（kǎo）虑，还（hái）是（shì）从防止碎块状石墨（mò）产生的角度考虑（lǜ），只要能通过强化孕（yùn）育（yù）等措施防止白口产生（shēng），都要（yào）尽可能地降低w（Si）量。

（3）碳（C）

在（zài）合理的CE值条件下（xià），尽可（kě）能提高（gāo）w（C）量（liàng）。事实证明球墨铸（zhù）铁的（de）w（C）量控（kòng）制在（zài）3.60%~3.70%，铸件具（jù）有***小的（de）收缩（suō）率。

（4）硫（S）

S是阻碍石（shí）墨球化（huà）的主要元素，球化处理的主（zhǔ）要目（mù）的（de）就是脱S，但（dàn）球墨铸铁孕育衰退快与（yǔ）w（S）量太低有直接关系；所以，适当（dāng）的w（S）量是必要的。可以将w（S）量（liàng）控制在0.015%左（zuǒ）右，利用MgS的（de）成（chéng）核作用（yòng）增加石墨核（hé）心（xīn）质点（diǎn）以（yǐ）增加石墨（mò）球数，减（jiǎn）少（shǎo）衰退。

（5）镁（Mg）

Mg也是阻碍石（shí）墨化的元素，所以在保证球化率能够达到90%以上（shàng）的前提下（xià），Mg应尽可能（néng）低。在原（yuán）铁液w（O）、w（S）量（liàng）不高的（de）条件下，残留w（Mg）量能够控制在（zài）0.03%~0.04%是（shì）***理想的。

（6）其他（tā）元素

Mn、P、Cr等（děng）所（suǒ）有阻碍石墨（mò）化的元素越低越好。

要注意（yì）微量元素的（de）影响，如Ti。当w（Ti）量（liàng）低时，是（shì）强（qiáng）力促进石墨化（huà）元素，同时Ti又是碳化物（wù）形成元（yuán）素，又是影响球化促进蠕虫状石墨产（chǎn）生的元素，所以w（Ti）量（liàng）控（kòng）制得越低（dī）越（yuè）好。笔（bǐ）者公司曾（céng）经有一个非常成熟的无冒口铸造工艺，由于一（yī）时（shí）原（yuán）材（cái）料短缺而使用了w（Ti）量（liàng）为0.1%的生铁（tiě），生产出的铸（zhù）件不但表面有缩陷，加工后内（nèi）部也出现了（le）集中型缩孔。

总之，纯净原材料对提高球（qiú）墨铸（zhù）铁的自补缩能力是有利的。

2.2浇注温度

有实验表（biǎo）明，球墨铸铁的浇注温度从1350℃到1500℃对铸件收（shōu）缩的体（tǐ）积没有明（míng）显的（de）影（yǐng）响，只不过（guò）缩孔（kǒng）的形（xíng）态从集中型逐渐（jiàn）向分散型（xíng）过度。石墨球的尺寸也随（suí）着浇（jiāo）注温度的升高逐渐变大，石墨球的数（shù）量逐渐减少。所以没（méi）有必要（yào）苛求过（guò）低的浇注温度，只（zhī）要铸型强（qiáng）度足够抵抗铁液的静（jìng）压力，浇（jiāo）注（zhù）温（wēn）度可以高一些。通过铁液加热铸（zhù）型减少共晶凝固时的过冷（lěng）度，使石墨化有充足的时（shí）间进行。不过，浇注速度要尽可能地快，以尽量减少型内铁液的温度差（chà）。

2.3冷铁（tiě）

根据笔者使用冷（lěng）铁（tiě）的（de）经验（yàn）及利用以上理（lǐ）论分析，冷（lěng）铁（tiě）能（néng）够（gòu）消除缩孔（kǒng）缺陷的说（shuō）法并不确（què）切（qiē）。一方面（miàn），局部使用冷铁（如打孔部（bù）位），只（zhī）能使缩（suō）孔（kǒng）转（zhuǎn）移而（ér）不是消除缩孔；另一方面，大面积地使（shǐ）用冷铁而获得了（le）减少补缩或无（wú）冒（mào）口的效果，只是无意识地增加了铸型强度而不是冷铁减少（shǎo）了液体或共晶（jīng）凝（níng）固收缩。事实上，如果冷铁使用过多，影响了石墨球的长（zhǎng）大及（jí）石墨（mò）化的程度（dù），相反会加剧收缩。

2.4铸型（xíng）强度和刚度

由于球铁大都选择共晶或过共晶（jīng）成分，铁液在铸型中冷却至共晶温度所经（jīng）过（guò）的时间较长，也就是（shì）铸型所承（chéng）受的铁液（yè）静压力的时间要比亚共晶成分的灰铸铁要长，铸型也（yě）就更（gèng）容易（yì）产生压缩（suō）性变形。当石墨化（huà）膨胀引起的体积增加（jiā）不能（néng）抵（dǐ）消液体收缩+凝固收缩+铸型变形体积时，产生（shēng）缩孔也就（jiù）在所（suǒ）难免。所以，足够的铸型刚度及抗压强度（dù）是实现无冒口铸造的重要条件，有许多覆砂铁型铸造工艺（yì）实现无冒（mào）口铸造既是这一（yī）理论的（de）证明（míng）。

2.5孕育（yù）处理

强效孕育剂（jì）及瞬时延（yán）后（hòu）孕育工艺（yì）既能（néng）给予铁液（yè）大量（liàng）的（de）核心质点，又能防止孕育（yù）衰退，能（néng）够（gòu）保证球墨铸（zhù）铁在共（gòng）晶凝固时有（yǒu）足够的石墨（mò）球数；多而小的石墨球（qiú）减少（shǎo）了液体中的C向石墨核心（xīn）转移（yí）的（de）距离（lí），加快了石墨化速（sù）度，短时内大量的（de）共晶凝固又能释放出较多的结（jié）晶（jīng）潜热，减（jiǎn）少了过冷度，既能（néng）防止白（bái）口的产生，又能（néng）加强（qiáng）石墨化膨胀。因而。强效孕（yùn）育对提高球墨铸（zhù）铁的自补缩能力至关重要。

2.6铁液过滤

铁液经过过滤（lǜ），滤除了部分氧化（huà）夹（jiá）杂，使（shǐ）铁液的微观流动性增强，可以降低微观（guān）缩孔的（de）产生几率。

2.7铸件模（mó）数

由于铸（zhù）态珠光（guāng）体球铁（tiě）需要加入阻碍石墨化（huà）的元素，这（zhè）会影响石（shí）墨化程度（dù），对铸（zhù）件实现自（zì）补缩目的有一定影（yǐng）响，所以有资料介绍，无冒口铸造适用于牌号在QT500以下（xià）的球墨（mò）铸铁。除此之外（wài），由（yóu）铸件的形（xíng）状尺寸所（suǒ）决（jué）定的模数应在3.1cm以（yǐ）上。

值得注（zhù）意（yì）的是，厚（hòu）度＜50mm的板类铸（zhù）件（jiàn）实现无冒口铸造是困难的。

也（yě）有资料介（jiè）绍，对QT500以上的球（qiú）墨铸铁实现（xiàn）无冒口（kǒu）铸造（zào）工艺的条件是其模数（shù）应大于3.6cm。

3.应用实例介绍

3.1大模（mó）数铸件（jiàn）无冒口铸（zhù）造工（gōng）艺（yì）实（shí）例

材料牌（pái）号为GGG70的风（fēng）电（diàn）增速器行星支（zhī）架铸件，重量为3300kg，轮廓尺寸为φ1260×1220mm，铸（zhù）件模数约为5.0cm。铸件成分为：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（dù）为1370~1380℃

考虑（lǜ）到铁液对铸型（xíng）下部的压力较大，容易使铸型下部产生压缩变形，所以客户推荐将冷（lěng）铁主要集中放置在（zài）下部（如图1）。根据以往（wǎng）的经验，开始试制时，我们决定使用无冒口铸造（zào）工（gōng）艺，也就是（shì）图1去掉冒（mào）口（kǒu）的工艺。虽然（rán）客户请（qǐng）***人员对所试制铸件做超声探伤并未发现有（yǒu）内部（bù）缺陷，解剖结果也未发现缩孔（kǒng）缺陷。但对照（zhào）其它相关（guān）资料及客户提供的（de）参考工艺，我们（men）对（duì）这么重要（yào）的（de）铸件（jiàn）批量生产后（hòu）一（yī）旦发生缩（suō）孔缺陷的后果甚为（wéi）担心，所以对图1工艺进行了凝固模拟试（shì）验，模拟结果（guǒ）如图2。

图1 推荐的（de）冒口（kǒu）补缩工艺（yì）

图2 根据图1工（gōng）艺的（de）模拟结果

从模拟结果可见，液态收（shōu）缩已经将包（bāo）括内部的3个（gè）Φ140×170mm圆形（xíng）发热保温冒口及外侧的3个（gè）320×200×320mm腰圆形发热（rè）保（bǎo）温冒口（kǒu）内的铁液全部（bù）用尽；因而，我们在原有320×200×320mm发热保（bǎo）温冒口的上面再加上1个同等大小的冒口，即将冒口（kǒu）尺寸改为320×200×640mm。但是，浇铸后的结果却是所有冒口（kǒu）一点收缩的痕迹也（yě）没有，从而证（zhèng）实了这个铸件完全（quán）可（kě）以（yǐ）实现无（wú）冒口铸造。

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×高尺寸为（wéi）1 230×860×32 mm，铸件（jiàn）模数M=3.2/2=1.6 cm。

图3 蜂窝板毛坯图

此铸件模数远小于3.1cm，显然不适用于无（wú）冒（mào）口铸（zhù）造（zào）工艺，但试制（zhì）时为了（le）提高工艺出品率，采用了立浇雨淋式浇口（kǒu）（图4），原意是（shì）想使铸件在凝（níng）固时产生自（zì）上而下的温（wēn）度梯度，以利用横浇口补缩（suō），但结果却是在铸件的中间部位加工后产生了大面积连通（tōng）性（xìng）缩孔（图（tú）4中双点划线处）。试制4件（jiàn）无一件成品。

图4 试制工（gōng）艺方案示意（yì）图（tú）

于是，我们改变思（sī）路，制定了如（rú）图5所示的卧浇、冷铁加冒口工艺（yì）。用冷（lěng）铁将铸件分（fèn）割成（chéng）9部分，每部分的中央（yāng）放置（zhì）冒口。改进后的工艺出品率大于75%，产品质量（liàng）稳定，废品率在2.0%以下，由于原（yuán）材（cái）料和工艺都较稳定，加工后几乎没（méi）有废品。

图5 改进后（hòu）的成（chéng）熟工（gōng）艺