球墨鑄鐵的凝固特性和鑄件冒口的設(shè)置

1、 PAGE PAGE 10球墨鑄鐵的凝固特性和鑄件冒口的設(shè)置中國(guó)鑄造協(xié)會(huì) 李傳栻一般說來，球墨鑄鐵件產(chǎn)生縮孔、縮松的傾向比灰鑄鐵件大得多，防止收縮缺陷往往是工藝設(shè)計(jì)中格外麻煩的問題。在這方面，從實(shí)際生產(chǎn)中總結(jié)出來的閱歷很不全都，各有自己的見解：有人認(rèn)為應(yīng)當(dāng)遵循挨次凝固的原則，在最終凝固的部位放置大冒口，以補(bǔ)充鑄件在產(chǎn)出健全的鑄件。是不夠的，必需在了解球墨鑄鐵凝固特性的根底上，切實(shí)把握鑄鐵熔煉、球化處理、孕育處理和澆注作業(yè)的全過程，而且要有效地把握鑄型的剛度。一、球墨鑄鐵的凝固特性實(shí)際生產(chǎn)中承受的球墨鑄鐵，大多數(shù)都接近共晶成分。厚壁鑄件承受亞共晶成分，薄壁鑄件承受過共晶成分，但偏離共晶成分都不遠(yuǎn)

2、。共晶成分、過共晶成分的球墨鑄鐵，共晶凝固時(shí)都是先自液相中析出小石墨球。即使是共晶轉(zhuǎn)變溫度的溫度下先析出小石墨球。第一批小石墨球在 1300甚至更高的溫度下就已形成。在此后的凝固過程中，隨著溫度的降低，首批小石墨球有的長(zhǎng)大，有的再次溶入鐵液， 同時(shí)也會(huì)有的石墨球析出。石墨球的析出和長(zhǎng)大是在一個(gè)很寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)展的。氏體外殼。奧氏體外殼形成的時(shí)間與鑄件在鑄型中的冷卻速率有關(guān)：冷卻速率高，鐵液中的碳來不及集中均勻，形成奧氏體外殼就較早；冷卻速率低，有利于鐵液中的碳集中均勻，奧氏體外殼的形成就較晚。球集中，使石墨球長(zhǎng)大。奧氏體外殼形成后，鐵液中的碳向石墨球的集中受阻，石墨球的長(zhǎng)3600 J/g，自

3、鐵液中析出奧氏體時(shí)釋放的結(jié)晶潛熱少，約 200 J/g，在石墨球四周形成奧氏體外殼、石墨球的長(zhǎng)大受阻，就會(huì)使結(jié)晶潛熱的釋放顯著減緩。在這種條件下，共晶凝固的進(jìn)展要靠進(jìn)一步降低溫度以產(chǎn)生的晶核。因此，球墨鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變要在頗大的溫度范圍內(nèi)完成，其凝固的溫度范圍是灰鑄鐵的二倍或更多一些，具有典型的糊狀凝固特性。簡(jiǎn)潔說來，球墨鑄鐵的凝固特性主要有以下幾方面。1、凝固溫度范圍寬從鐵碳合金的平衡圖看來，在共晶成分四周，凝固的溫度范圍并不寬。實(shí)際上，鐵液經(jīng)球化處理和孕育處理后，其凝固過程偏離平衡條件很遠(yuǎn)，在共晶轉(zhuǎn)變溫度1150以上150左右，即開頭析出石墨球，共晶轉(zhuǎn)變終了的溫度又可能比平衡共晶轉(zhuǎn)變溫度低

4、50左右。凝固溫度范圍這樣寬的合金，以糊狀凝固方式凝固，很難使鑄件實(shí)現(xiàn)挨次凝固。因此，方案不是很適宜的。由于在很高的溫度下即有石墨球析出，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，液固兩相共存的時(shí)間很長(zhǎng)， 鐵液凝固過程中同時(shí)發(fā)生液態(tài)收縮和凝固收縮。因此，要像鑄鋼件那樣，通過澆注系統(tǒng)和冒口比較充分地補(bǔ)充液態(tài)收縮也是不太可能的。2、共晶轉(zhuǎn)變過程中石墨的析出導(dǎo)致體積膨脹在共晶溫度四周，奧氏體的密度約為 7.3g/cm3，石墨的密度約為 2.15g/cm3。鑄件凝固1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨可產(chǎn)生 3.4%的體積膨脹。件下，可以不用冒口生產(chǎn)健全的鑄件。應(yīng)當(dāng)著重提出的是：灰鑄鐵和球墨鑄鐵都在共晶轉(zhuǎn)變過程中析出石墨、發(fā)生體積膨脹， 不一樣

5、。更為致密。大，也易于通過共晶團(tuán)作用在鑄型的型壁上，導(dǎo)致型壁運(yùn)動(dòng)。3、鑄件凝固過程中石墨化膨脹易使鑄型發(fā)生型壁運(yùn)動(dòng)比灰鑄鐵薄得多，而且增長(zhǎng)很慢，即使經(jīng)過了較長(zhǎng)的時(shí)間，表層照舊是強(qiáng)度低、剛度差的薄殼。內(nèi)部發(fā)生石墨化膨脹時(shí)，這種外殼缺乏以耐受膨脹力的作用下，就可能向外移動(dòng)。假設(shè)鑄型的剛度差，就會(huì)發(fā)生型壁運(yùn)動(dòng)而使型腔脹大。結(jié)果，不僅影響鑄件的尺寸精度，而且石墨化膨脹以后的收縮得不到補(bǔ)充，就會(huì)在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生縮孔、縮松之類的缺陷。4、共晶奧氏體中的碳含量高于灰鑄鐵R. W. Heine的爭(zhēng)辯報(bào)告，球墨鑄鐵共晶凝固過程中，奧氏體中的碳含量高于灰1 所示。圖1灰鑄鐵和球墨鑄鐵共晶凝固時(shí)奧氏體中的碳含量a、灰

6、鑄鐵；b、球墨鑄鐵 鐵液中的碳，除通過奧氏體向石墨集中外，也直接向石墨片集中，因而鐵液奧氏體界面處1.55%左右。球墨鑄鐵共晶凝固時(shí)，共晶團(tuán)中的石墨球只與奧氏體殼接觸，不與鐵液接觸，石墨球長(zhǎng)大時(shí)，鐵液中的碳都通過奧氏體殼向石墨球集中，因而，鐵液奧氏體界面處奧氏體中的碳含量較高，可到達(dá) 2.15%左右。球墨鑄鐵共晶凝固時(shí)，奧氏體中的碳含量可能較高，在碳含量、硅含量一樣的條件下，如保持同樣的冷卻速率，則析出的石墨量較少，因而，共晶凝固時(shí)的體積收縮會(huì)略大于灰鑄鐵。這也是球墨鑄鐵件較易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷的緣由之一。凝固過程中保持較低的冷卻速率，是有利于石墨充分析出的因素。在能使石墨化充分的條件下，共晶

7、奧氏體中的碳含量即碳在奧氏體中的最大固溶度 與鑄鐵中的硅含量有關(guān)，一般可按下式計(jì)算。CE=2.0450.178 Si二、球墨鑄鐵件凝固過程中的體積變化從鐵液澆注到鑄型中起，到共晶凝固終了、鑄件完全凝固，型腔內(nèi)的鑄鐵會(huì)發(fā)生液態(tài)收縮、析出初生石墨所致的體積膨脹、析出共晶奧氏體所致的凝固收縮、析出共晶石墨所致的2 所示的簡(jiǎn)潔相圖。圖2鐵碳合金的簡(jiǎn)潔相圖1、鐵液的液態(tài)收縮鐵液進(jìn)入鑄型后，隨著溫度的降低，即發(fā)生體積收縮。鐵液的液態(tài)收縮量，會(huì)因其化學(xué)100體積收縮1.5%1150計(jì)算。1。表1以不同溫度澆注時(shí)球墨鑄鐵件的液態(tài)收縮量澆注溫度140013501300液態(tài)收縮量%3.753.002.252、析出

8、初生石墨所致的體積膨脹計(jì)?，F(xiàn)以碳含量為 CX的過共晶鑄鐵為例。C CCX初生石墨量 G初 鑄鐵的碳含量%；XC100 CC100 C 共晶碳含量.271/3S%。C1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.4%的體積膨脹，因此，析出初3.4G 。幾種碳、硅含量不同的球墨鑄鐵析出初生石墨所致的體積膨脹見表 2。40mm 以上的鑄件，簡(jiǎn)潔產(chǎn)生石墨夾渣或石墨漂移等缺陷。在這種狀況下，應(yīng)特別留意把握碳、硅含量。C表2幾種球墨鑄鐵析出初生石墨所致的體積膨脹C鑄鐵的碳含量%3.63.53.63.73.63.73.8鑄鐵的硅含量%2.22.42.42.42.62.62.6C%3.543.473.473.473.403.403.40G

9、 初%0.060.030.130.240.210.310.41析出初生石墨所致的體積膨脹%0.210.100.440.820.711.051.393、析出共晶奧氏體所致的體積收縮計(jì)算析出共晶奧氏體所致的體積收縮，要考慮共晶液相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以下簡(jiǎn)稱共晶液、液態(tài)收縮量、自單位共晶液相析出的共晶奧氏體量和凝固收縮量。液態(tài)收縮量的計(jì)3.5%計(jì)。共晶液相量 V共液100CX100 CC100%單位共晶液相中析出的奧氏體量 V奧100 CC100 C100%ES100 C100 C析出奧氏體所致的體積收縮量 S1 L X 3.5%奧式中 S 鐵液的液態(tài)收縮量%；L 100 C100 CCEC共晶奧氏體中的碳

10、含量%。E幾種碳、硅含量不同的球墨鑄鐵析出共晶奧氏體所致的體積收縮量見表 3。表3幾種球墨鑄鐵析出共晶奧氏體所致的體積收縮鑄鐵的碳含量%3.63.53.63.73.63.73.8鑄鐵的硅含量%2.22.42.42.42.62.62.6共晶液相量%99.9499.9799.8799.7699.7999.6999.59單位共晶液相中析出的奧氏體量1400澆注時(shí)奧氏體的體積收縮量%3.303.303.3098.13.303.303.293.291350澆注時(shí)奧氏體的體積收縮量%3.333.333.333.323.323.323.321300澆注時(shí)奧氏體的體積收縮量%3.353.353.353.353

11、.353.343.344、析出共晶石墨所致的體積膨脹計(jì)算析出共晶石墨所致的體積膨脹，要考慮共晶液相量、液態(tài)收縮量、自單位共晶液相析出的石墨量和析出石墨時(shí)的體積膨脹量。液態(tài)收縮量的計(jì)算已見前述。每析出 1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.4%的體積膨脹。單位共晶液相中析出的石墨量 G共晶100 CC100 CE100 (%)S100 CC C 1 X E 100 3.4(%)G100 100 CC100 CE幾種碳、硅含量不同的球墨鑄鐵析出共晶石墨所致的體積膨脹量見表 4。表4幾種球墨鑄鐵析出共晶石墨所致的體積膨脹鑄鐵的碳含量%3.63.53.63.73.63.73.8鑄鐵的硅含量%2.12.32.32.32.52

12、.52.5單位共晶液相中析出的石墨量%1.91400澆注時(shí)石墨的體積膨脹量%6.216.216.216.206.206.206.191350澆注時(shí)奧氏體的體積收縮量%6.266.266.266.256.256.256.241300澆注時(shí)奧氏體的體積收縮量%6.316.316.316.304.306.306.295、幾種常用球墨鑄鐵凝固過程中體積變化的總體狀況依據(jù)以上對(duì)液態(tài)收縮、析出初生石墨的體積膨脹、析出共晶奧氏體所致的體積收縮、析7 5。鑄鐵的根本成分C共晶奧氏體中的碳含量C鑄鐵的根本成分C共晶奧氏體中的碳含量CE1.651.581.53澆注溫度 1400液態(tài)收縮量%3.75澆注溫度 135

13、0液態(tài)收縮量%3.00澆注溫度 1300液態(tài)收縮量%2.25碳含量%3.63.53.63.73.63.73.8硅含量%2.12.32.32.32.52.52.5C%3.563.493.493.493.433.433.43析出初生石墨的體積膨脹 %0.210.100.440.820.711.051.39析出共晶奧氏體的體積收縮%3.303.303.303.303.303.293.29析出共晶石墨的體積膨脹 %6.216.216.216.206.206.206.19總體體積變化%0.630.740.400.030.140.210.54析出初生石墨的體積膨脹 %0.210.100.440.820.7

14、11.051.39析出共晶奧氏體的體積收縮%3.333.333.333.323.323.323.32析出共晶石墨的體積膨脹 %6.266.266.266.256.256.256.24總體體積變化%0.140.030.370.750.640.981.31析出初生石墨的體積膨脹 %0.210.100.440.820.711.051.39析出共晶奧氏體的體積收縮%3.353.353.353.353.353.343.34析出共晶石墨的體積膨脹 %6.316.316.316.306.306.306.29總體體積變化%0.920.811.151.521.411.762.09注：符號(hào)“”表示體積增加，符號(hào)“

15、”表示體積削減。5 中的資料可見，對(duì)于常用的幾種球墨鑄鐵，保持澆注溫度在 1350以下，在鑄凝固收縮，因而有可能在不設(shè)置冒口的條件下生產(chǎn)健全的鑄件。在澆注溫度為 1400時(shí)，鑄件，壁較厚的鑄件簡(jiǎn)潔發(fā)生石墨夾渣和石墨漂移缺陷。5 中所列的資料是依據(jù)平衡狀態(tài)圖求得的，是以可能析出的碳在凝固過程中完全以石墨結(jié)晶析出為前提的。實(shí)際生產(chǎn)中，固然要以有效的球化和孕育處理為根底，充分的石墨化至關(guān)重要。對(duì)于冷卻速率高的鑄件、薄壁鑄件，由于共晶凝固時(shí)石墨化不充分， 缺陷。同時(shí)，鑄型的剛度也是格外重要的影響因素。假設(shè)鑄型的剛度不高，石墨化膨脹時(shí)發(fā)生型壁運(yùn)動(dòng)，則膨脹后的收縮得不到補(bǔ)充，鑄件內(nèi)部就會(huì)有縮孔、縮松等缺陷

16、。三、實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造的條件鑄件自澆注完畢到凝固終了的過程中，會(huì)發(fā)生液態(tài)收縮和凝固收縮，而且，由于球墨鑄鐵以糊狀凝固方式凝固，液態(tài)收縮很難由澆注系統(tǒng)得到充分的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造，就是1、鐵液的冶金質(zhì)量良好4.3 4.4 為好，薄壁鑄件可適當(dāng)提高碳當(dāng)量。為使結(jié)晶析出的石墨量較多，如保持碳當(dāng)量一樣，則提高碳含量比提高硅含量會(huì)更為有利。應(yīng)嚴(yán)格把握球化處理作業(yè)，在確保石墨完全球化的條件下，盡可能地降低殘留鎂量，殘0.06%左右。孕育處理應(yīng)充分。除與球化處理同時(shí)進(jìn)展的孕育處理外，澆注時(shí)還應(yīng)進(jìn)展瞬時(shí)孕育。薄壁鑄件，最好在鐵液出爐前予以預(yù)孕育處理。2、鑄件凝固時(shí)的冷卻速率不能太高鐵的收縮，因而不能實(shí)現(xiàn)無冒口

17、鑄造。3、低溫澆注為削減液態(tài)收縮，澆注溫度最好把握在 1350以下，通常宜為 132020。4、承受薄片狀內(nèi)澆口為避開石墨化膨脹時(shí)將鐵液自內(nèi)澆口擠出，必需使內(nèi)澆口在鐵液布滿鑄型后快速凝固， 因此，承受無冒口鑄造方案時(shí)，應(yīng)承受薄而寬的內(nèi)澆口，其寬度與厚度之比一般為 45。內(nèi)澆口厚度的選定，還應(yīng)考慮澆注溫度，澆注過程中內(nèi)澆口不應(yīng)凝固。5、提高鑄型的剛度粘土濕砂造型、或各種自硬砂造型，不管怎樣強(qiáng)調(diào)“舂實(shí)”都不會(huì)過分。 石墨塊。冷鐵和石墨塊，固然有激冷作用，但也應(yīng)對(duì)其提高鑄型剛度的作用有正確的生疏。有的狀況下，用耐火磚代替冷鐵或石墨塊，其作用主要就是提高鑄型剛度了。四、承受高剛度鑄型時(shí)冒口的設(shè)置原則高

18、，便于利用石墨化膨脹補(bǔ)充鑄鐵的液態(tài)收縮和凝固收縮，如把握得當(dāng)，就有可能承受無冒口工藝生產(chǎn)健全的鑄件。假設(shè)由于各種緣由不宜承受無冒口工藝，則可承受細(xì)頸冒口。1、無冒口的鑄造工藝在鑄型剛度高、鐵液冶金質(zhì)量良好的條件下，保持鑄件的冷卻速率較低，使石墨能充分地結(jié)晶析出，是實(shí)現(xiàn)無冒口鑄造的重要條件。依據(jù)日本後藤等人的爭(zhēng)辯報(bào)告，球墨鑄鐵件的凝固時(shí)間在 20min 以上，石墨的析出量就能到達(dá)飽和值。S. I. Karsay 25mm 50mm。後Karsay 的意見表述方式不同，從對(duì)冷卻速率的分析看來，實(shí)際上是全都的。在鐵液的冶金質(zhì)量良好如承受預(yù)孕育處理或動(dòng)態(tài)孕育處理等措施的條件下，有些壁較薄的鑄件也可以實(shí)

19、現(xiàn)無冒口鑄造。承受無冒口鑄造工藝時(shí)，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可參考以下意見。關(guān)于橫澆道橫澆道以大一些、高一些為好。一般說來，直澆口截面積、橫澆道截面積、內(nèi)澆口截面4:8:3。橫澆道截面高度與寬度之比可以取1.82:1。承受這種方式，澆注系統(tǒng)補(bǔ)充鑄件液態(tài)收縮的作用較好。關(guān)于內(nèi)澆口承受薄片狀內(nèi)澆口，其厚度的選定，以確保澆注過程中內(nèi)澆口不會(huì)凝固、型腔布滿后很快凝1:4。由于內(nèi)澆口薄、截面積小，為保證快速布滿型腔，較大鑄件應(yīng)設(shè)多個(gè)內(nèi)澆口。這樣，還有均衡鑄件溫度、削減熱點(diǎn)的效果。2、承受細(xì)頸冒口假設(shè)有以下狀況，承受無冒口鑄造方案不能保證鑄件質(zhì)量，就可以考慮承受細(xì)頸冒口：鑄件的壁較薄，凝固過程中石墨化不充分；鑄件上

20、有分散的熱節(jié)點(diǎn)，而且又不允許內(nèi)部存在縮松缺陷；澆注溫度較高超過1350。與鑄件連接的細(xì)頸，應(yīng)在鑄件開頭凝固前凝固，以免石墨化膨脹時(shí)鐵液進(jìn)入冒口。冒口頸與鑄件連接處厚度最小，在通向冒口的過渡段逐步增厚，以利于向鑄件補(bǔ)充鐵液。冒口頸的厚度一般可以是鑄件補(bǔ)縮部位厚度的 0.40.6。可能的話，最好使橫澆道與冒口連接，鐵液通過冒口頸充型，不設(shè)置內(nèi)澆口。五、承受粘土濕砂型時(shí)冒口的設(shè)置原則 素的影響，如型砂的質(zhì)量、鑄型的緊實(shí)程度、澆注溫度、型腔內(nèi)鐵液的靜壓頭等，實(shí)際體積28%之間。既然型腔的體積脹大量差異甚大，設(shè)置冒口的原則固然視具體狀況而有所不同。1、薄壁鑄件8mm 以下的鑄件，一般不會(huì)發(fā)生明顯的型壁運(yùn)

21、動(dòng)，鐵液布滿鑄型后的液態(tài)收縮也不太大，可承受無冒口鑄造工藝。澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可參照前節(jié)所述。2812mm 的鑄件這一類鑄件，假設(shè)壁厚均勻，又沒有大的熱節(jié)，只要嚴(yán)格把握低溫澆注，也可以承受無冒口鑄造工藝。假設(shè)有熱節(jié)，而且內(nèi)部不允許存在縮孔、縮松，就應(yīng)當(dāng)依據(jù)熱節(jié)的尺寸設(shè)置細(xì)頸冒口。312mm 以上的鑄件的。制定工藝方案時(shí)，可先考慮承受細(xì)頸冒口，并嚴(yán)格把握低溫澆注。假設(shè)用這種方案不能解決問題，就得設(shè)計(jì)專用的冒口。用粘土濕砂型生產(chǎn)球墨鑄鐵件，假設(shè)要設(shè)置冒口，最好能做到：承受薄型內(nèi)澆口，使其在鑄型布滿后凝固。內(nèi)澆口凝固后，鑄件與冒口組成一個(gè)整體，與澆注系統(tǒng)不相連；鑄件發(fā)生液態(tài)收縮時(shí)，冒口向鑄件補(bǔ)充鐵液；鑄

22、件發(fā)生石墨化膨脹時(shí)，鐵液流向冒口，釋放型腔內(nèi)的壓力。減輕其對(duì)鑄型壁的作用；鑄件本體石墨化膨脹后發(fā)生二次收縮時(shí)，冒口又可向鑄件供給補(bǔ)縮的鐵液。 還未見到行之有效的具體方案，更沒有便于利用的成套數(shù)據(jù)。生產(chǎn)中，要兼顧鑄件質(zhì)量和工藝出品率，往往不得不進(jìn)展探究和試驗(yàn)。關(guān)于冒口的設(shè)計(jì)，可參考以下兩種方式。1頂冒口R. W. Heine，對(duì)用粘土濕砂型生產(chǎn)球墨鑄鐵件的冒口設(shè)置問題，曾進(jìn)展過系統(tǒng)的爭(zhēng)辯，提出了多種工藝方案以適用于不同的條件，包括無冒口鑄造工藝、壓邊冒口工藝和3 是頂冒口工藝的一個(gè)用例。圖3頂冒口應(yīng)用的一例度提高，冒口可通過此處向兩個(gè)熱節(jié)補(bǔ)充鐵液。鑄件發(fā)生石墨化膨脹時(shí)，鐵液可通過隔片的孔流向冒口，釋放型腔內(nèi)的壓力，型腔的脹大很少。用。冒口與鑄件之間加一隔片，是為了便于落砂后敲下冒