由球墨（mò）铸（zhù）铁（tiě）的凝固（gù）特（tè）点认为（wéi）球（qiú）铁件易于（yú）出现缩（suō）孔缩松缺陷，因（yīn）而其实现无冒口（kǒu）铸造较为困难。阐（chǎn）述了实现球（qiú）铁件（jiàn）无冒口铸造工艺所应具备的铁（tiě）液成（chéng）份、浇（jiāo）注温度、冷铁工（gōng）艺（yì）、铸型（xíng）强度和刚度、孕育处理（lǐ）、铁液过（guò）滤和（hé）铸件模数等条件，用大模数铸件和小模数铸件（jiàn）铸造（zào）工（gōng）艺实例佐证（zhèng）了自己的（de）观（guān）点。

1、球（qiú）墨铸铁的凝固特点

球墨（mò）铸铁与（yǔ）灰铸铁的凝固方式不同是（shì）由球墨与片墨生长方式不同而造成的（de）。

在（zài）亚共晶（jīng）灰铁中石墨在初生奥（ào）氏体的边缘开始析出后，石墨片的两侧处在奥氏（shì）体的包围下从奥氏体中吸收（shōu）石墨而变厚，石墨片的先（xiān）端在液体中吸收石墨而生长。

在（zài）球墨（mò）铸铁（tiě）中，由（yóu）于石墨呈球状，石墨球析出（chū）后就（jiù）开始向周围吸收石（shí）墨，周（zhōu）围的（de）液体因为（wéi）w（C）量降低而变为固态的奥氏体并且将石墨球包围；由于石墨球（qiú）处（chù）在奥氏体的包围（wéi）中，从奥氏体中（zhōng）只能吸收的碳较为有限，而（ér）液（yè）体中的（de）碳（tàn）通过固体向石墨球扩散（sàn）的（de）速度很（hěn）慢，被奥氏体包围又***了它的长大；所以，即使（shǐ）球墨铸铁（tiě）的碳当量比灰铸（zhù）铁高很（hěn）多，球铁的石墨化却比（bǐ）较困难，因而也就没有足够的石墨化膨胀来抵消（xiāo）凝固收缩；因此（cǐ），球墨铸铁（tiě）容易产生缩孔。

另外（wài），包裹（guǒ）石墨球的奥（ào）氏体层厚（hòu）度一般是（shì）石（shí）墨球径的1.4倍，也就是说石墨（mò）球越大奥氏体层越厚，液体中的碳通过奥（ào）氏体转移至石墨球的难度也越（yuè）大。

低（dī）硅（guī）球墨铸铁容易产生白（bái）口（kǒu）的根（gēn）本（běn）原因也在于球（qiú）墨铸铁的凝固方式。如上（shàng）所述（shù），由于球（qiú）墨（mò）铸铁石（shí）墨化困难，没有（yǒu）足够的由石墨（mò）化产（chǎn）生的结晶潜热向铸型内释放而增大了过冷度，石墨来不及（jí）析（xī）出就形成了渗碳体。此外，球墨铸铁孕育衰退快（kuài），也是极易发生（shēng）过冷的（de）因素之一。

2.球（qiú）墨铸铁无冒口铸造的条件

从球墨（mò）铸铁的凝固特（tè）点不难看出，球（qiú）墨铸（zhù）铁件要（yào）实现无冒口铸造的难度较大。笔者根据自己多年的生（shēng）产实践经（jīng）验，对（duì）球（qiú）墨（mò）铸铁实现无冒口铸造工艺所需具备的条件作（zuò）了一些归纳（nà）总结（jié），在此与同行（háng）分享。

2.1铁液成分的选择

（1）碳当量（liàng）（CE）

在同等条件下，微小的石墨在铁液（yè）中容易溶解并且不容（róng）易生（shēng）长；随着（zhe）石墨长大，石墨的生长速度也变快，所以使铁液在（zài）共晶前就（jiù）产生初生石（shí）墨（mò）对促进共晶（jīng）凝固石墨化是非常（cháng）有利的（de）。过共晶成分的（de）铁液就能满（mǎn）足这样（yàng）的条件，但过高的CE值使石墨在共晶凝（níng）固前就长大（dà），长大到（dào）一定尺寸时（shí）石墨开始上浮，产（chǎn）生石墨漂浮缺陷。这（zhè）时，由石墨化引起的体积膨（péng）胀只会（huì）造成铁液（yè）液（yè）面上升，不但对铸件的补缩毫无意（yì）义（yì），而（ér）且（qiě）由（yóu）于石墨在（zài）液态时吸收（shōu）了大量的碳，反而造成（chéng）在共晶凝固（gù）时铁液中的w（C）量低不能产生足（zú）够的共晶石墨，也就不能抵消（xiāo）由于共晶凝（níng）固造成的收缩。实践证明，能够将CE值（zhí）控制在4.30%~4.50%是***理想的。

（2）硅（Si）

一般（bān）认为在Fe-C-Si系合金中（zhōng）， Si是石（shí）墨化（huà）元（yuán）素，w（Si）量高有利于（yú）石墨化膨胀，能够减少（shǎo）缩孔的发生（shēng）。很少（shǎo）有人知道（dào），Si是阻（zǔ）碍共晶凝固石墨化的（de）。所（suǒ）以，不论从补缩的角度考虑（lǜ），还是从（cóng）防止碎块状石墨产（chǎn）生的角度考虑，只（zhī）要（yào）能通过强化孕育等措施防（fáng）止白口产生，都要尽可能地降低w（Si）量。

（3）碳（tàn）（C）

在合理的CE值条件下，尽可（kě）能提高w（C）量。事实证（zhèng）明球墨铸铁的（de）w（C）量控（kòng）制在（zài）3.60%~3.70%，铸件具有***小的收缩率。

（4）硫（S）

S是阻碍石墨球化的（de）主要元（yuán）素，球化处理（lǐ）的主要目的就是脱S，但球墨铸铁孕育衰退快与（yǔ）w（S）量太低有直接关系（xì）；所以，适当（dāng）的（de）w（S）量（liàng）是必要的。可以（yǐ）将w（S）量控（kòng）制在0.015%左右（yòu），利用MgS的成核作（zuò）用增加石墨核心质点以增加石墨（mò）球数，减少衰退。

（5）镁（Mg）

Mg也是阻碍（ài）石（shí）墨化的元素（sù），所以在保证球化率能（néng）够达到90%以上的前（qián）提下，Mg应（yīng）尽可（kě）能（néng）低。在原铁液w（O）、w（S）量不高的条件（jiàn）下（xià），残留w（Mg）量能够控（kòng）制在0.03%~0.04%是***理想（xiǎng）的（de）。

（6）其他元素

Mn、P、Cr等所有阻碍石墨化的元素越低越好。

要注意微量元素（sù）的影响，如Ti。当w（Ti）量低时（shí），是强力（lì）促（cù）进石（shí）墨化元（yuán）素，同时Ti又是碳化物形成元素，又是影响球（qiú）化促进蠕虫状石墨（mò）产生的元素，所（suǒ）以w（Ti）量控制得越低越好。笔者公司曾经有（yǒu）一个非常成熟的（de）无冒（mào）口铸造工艺，由（yóu）于一时原材料短缺而（ér）使用（yòng）了w（Ti）量为0.1%的生铁（tiě），生产出的（de）铸件（jiàn）不（bú）但表面有缩陷，加（jiā）工后内部（bù）也出现了（le）集中型缩（suō）孔。

总之，纯（chún）净原材（cái）料（liào）对提高球墨铸铁的自补缩能力（lì）是有（yǒu）利的。

2.2浇注温度

有实（shí）验表（biǎo）明，球墨铸铁的浇注温度从1350℃到（dào）1500℃对铸（zhù）件收缩（suō）的体积没有明显的影（yǐng）响，只不过缩（suō）孔的形（xíng）态从集中型逐渐向分散型过度。石墨球的尺寸也（yě）随着浇（jiāo）注温度的升高逐渐变大，石墨（mò）球（qiú）的数量（liàng）逐渐减少。所以没有必要苛求过低（dī）的浇注（zhù）温度，只要铸型强（qiáng）度足（zú）够抵抗铁（tiě）液（yè）的（de）静压力，浇注（zhù）温度（dù）可以（yǐ）高一些。通过铁液（yè）加热铸型减少共（gòng）晶凝固时（shí）的过冷（lěng）度（dù），使石墨化有充足的时间进行。不过（guò），浇（jiāo）注速度要（yào）尽可能地快，以尽量减（jiǎn）少型内铁液的温（wēn）度（dù）差。

2.3冷铁

根据（jù）笔者（zhě）使用冷铁的经验及利用（yòng）以上理论分析，冷铁能够消除缩孔缺陷的说法并不确（què）切。一方面，局部使用冷铁（如打孔部位），只能使缩（suō）孔（kǒng）转移而不是消除（chú）缩（suō）孔；另一（yī）方面，大面积地使（shǐ）用冷铁而获得了减少补（bǔ）缩或无冒口的（de）效果（guǒ），只（zhī）是无意识地增加了铸（zhù）型强度而不是冷铁减少了液体或共晶凝固收缩。事实上，如（rú）果冷铁使用过多（duō），影响了（le）石墨球的长（zhǎng）大及石墨化的（de）程度，相反会加剧收缩。

2.4铸型强度（dù）和刚度

由于（yú）球铁大都选择（zé）共晶或（huò）过共（gòng）晶成分，铁液在铸型中冷却至共晶温度所经过的时间较长，也就（jiù）是铸型所承受的铁液静压力的时间要比亚共晶（jīng）成分的（de）灰铸铁（tiě）要长，铸型也就更容易产（chǎn）生压缩性变（biàn）形。当石墨化（huà）膨胀引（yǐn）起的（de）体积增加不（bú）能抵消（xiāo）液体收（shōu）缩（suō）+凝固收缩+铸型变形（xíng）体积时，产生缩孔也就在所难免。所以（yǐ），足够的铸型刚度及抗（kàng）压强度是实现无冒口（kǒu）铸（zhù）造的重要条件，有许多覆砂铁型铸造工（gōng）艺（yì）实现无冒口（kǒu）铸造既是这一（yī）理论的证（zhèng）明。

2.5孕育处理

强效孕育剂及瞬（shùn）时延（yán）后孕育工艺既（jì）能给予铁（tiě）液（yè）大量的核心质点，又能防（fáng）止（zhǐ）孕育衰退，能够保（bǎo）证球墨铸铁（tiě）在共晶（jīng）凝固时（shí）有足够的石墨（mò）球数；多而（ér）小的石墨球减少了液体中的C向石墨核心转移的距（jù）离，加快（kuài）了（le）石墨化速度，短时内（nèi）大（dà）量的共晶凝固又（yòu）能释放出较（jiào）多的结晶潜热，减少（shǎo）了过冷度，既能防止白口的产生，又能（néng）加强石墨化（huà）膨胀。因而。强效孕育对提高球墨铸（zhù）铁的自补缩（suō）能力至关重（chóng）要（yào）。

2.6铁液（yè）过滤

铁（tiě）液经过过（guò）滤，滤除了（le）部分氧化夹杂，使铁液的微（wēi）观流动性增强，可以降低微观缩孔的产生几率。

2.7铸（zhù）件模数

由于铸态珠光（guāng）体（tǐ）球铁需要加入阻碍石墨化的（de）元素，这会影响石墨（mò）化程（chéng）度，对（duì）铸件实现自（zì）补（bǔ）缩目（mù）的有（yǒu）一（yī）定影响，所（suǒ）以有资料介（jiè）绍，无冒口铸（zhù）造适（shì）用于牌号在QT500以下的球墨铸铁。除此（cǐ）之（zhī）外，由铸件的形状尺（chǐ）寸所（suǒ）决定（dìng）的（de）模数应在3.1cm以上。

值（zhí）得（dé）注意的是，厚度＜50mm的板类铸件实现无冒口铸造是困难的。

也有资料介（jiè）绍，对（duì）QT500以上的（de）球墨铸铁实现无冒（mào）口铸造工艺的条件是其模数应大于（yú）3.6cm。

3.应用实例介绍

3.1大模数铸件无冒口（kǒu）铸造工艺实例

材料牌号为（wéi）GGG70的风电增速器行（háng）星支架铸（zhù）件，重量为3300kg，轮廓尺寸为（wéi）φ1260×1220mm，铸（zhù）件模数约为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（tiě）液对铸型下（xià）部的压力较（jiào）大（dà），容易使铸型下部产生压（yā）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）。根据以往的经（jīng）验，开始试制时，我（wǒ）们决定（dìng）使用（yòng）无冒口铸（zhù）造工艺，也就是图1去掉冒口的工艺。虽然客户请***人员对所试制（zhì）铸（zhù）件做超声探伤并未发现有内（nèi）部（bù）缺（quē）陷，解（jiě）剖结果也（yě）未（wèi）发现缩孔缺陷。但对照其它（tā）相关资料（liào）及客户提供的参考工艺，我们对这（zhè）么（me）重要的铸件批量生产（chǎn）后一（yī）旦发生缩孔缺陷的后果甚为担心，所以对图（tú）1工（gōng）艺进行了凝（níng）固模拟试验，模拟（nǐ）结果如图（tú）2。

图1 推荐的冒口补（bǔ）缩工艺

图（tú）2 根据图1工艺的模拟结果

从模拟结果可（kě）见，液态收（shōu）缩已（yǐ）经（jīng）将（jiāng）包（bāo）括内部的（de）3个（gè）Φ140×170mm圆形（xíng）发热保温冒口（kǒu）及（jí）外（wài）侧的3个320×200×320mm腰圆形发热保温冒口内的铁液全（quán）部（bù）用尽；因而，我（wǒ）们在原有320×200×320mm发热保（bǎo）温（wēn）冒口的上（shàng）面再加上1个同等大小的冒口（kǒu），即将冒口尺寸改为320×200×640mm。但（dàn）是，浇铸后（hòu）的结（jié）果却是所有冒口一点收缩的痕迹也没（méi）有，从而证实了（le）这（zhè）个铸（zhù）件完全可以实现无冒口铸造。

3.2小模数铸件（jiàn）有冒口铸造实例（lì）

图3所示的蜂窝板材料牌号为QT500-7，长×宽×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

此铸（zhù）件模数远小于3.1cm，显然不适用（yòng）于（yú）无冒口铸造工艺，但试制时为了提高（gāo）工艺出品率（lǜ），采用了立浇雨（yǔ）淋式浇口（图（tú）4），原意是想使铸件（jiàn）在凝固时产生自上而下的温度梯度，以利用横浇（jiāo）口补缩，但结（jié）果（guǒ）却（què）是（shì）在铸（zhù）件（jiàn）的中间（jiān）部位加（jiā）工（gōng）后产生（shēng）了大面积连通性缩孔（图（tú）4中双点划线处）。试制4件无一（yī）件成品（pǐn）。

图4 试制工艺方案示意图

于是，我（wǒ）们改变思路，制（zhì）定了如（rú）图5所示的卧浇、冷铁（tiě）加冒口工艺。用冷铁（tiě）将铸件分割成（chéng）9部分（fèn），每（měi）部（bù）分的（de）中央放（fàng）置冒口。改进后的工艺（yì）出品率大于75%，产品质量（liàng）稳定（dìng），废品（pǐn）率在2.0%以（yǐ）下（xià），由（yóu）于原材料（liào）和工（gōng）艺都较稳（wěn）定，加工后几乎没有（yǒu）废品。

图5 改进后的成熟工（gōng）艺