由（yóu）球墨铸铁的凝固特点认为球铁件易于出（chū）现缩孔缩松缺（quē）陷，因（yīn）而其实现无冒口（kǒu）铸造较为困难。阐述了实现球铁件（jiàn）无冒口（kǒu）铸造工艺所应具备的铁（tiě）液成（chéng）份、浇注温度、冷铁工艺、铸型（xíng）强度和（hé）刚度、孕（yùn）育处理、铁液过滤和铸件模数等条件，用大模（mó）数铸件（jiàn）和小模（mó）数铸件铸造工艺实例（lì）佐证（zhèng）了自己的观点。

1、球墨（mò）铸铁（tiě）的凝固特点

球墨铸（zhù）铁与灰铸铁的凝固方式不（bú）同是由球（qiú）墨与片（piàn）墨生长方式不同而造成（chéng）的。

在亚共晶灰铁中石（shí）墨在初生奥氏体的边缘开始析出后，石墨片的两侧处在奥氏体（tǐ）的包（bāo）围（wéi）下从奥氏体中吸收石（shí）墨而变（biàn）厚（hòu），石墨（mò）片的先端在液体中吸收石墨而（ér）生长。

在球墨铸（zhù）铁中，由（yóu）于石墨（mò）呈球（qiú）状，石墨球析（xī）出后就开始向周（zhōu）围吸收石墨，周围的液体因（yīn）为w（C）量降低而（ér）变为固态的奥氏体并且将（jiāng）石墨球包围；由于石墨球（qiú）处（chù）在（zài）奥氏体的包围中，从奥氏体中只能吸收的碳较为有（yǒu）限，而液体中的碳通（tōng）过（guò）固体向石墨球（qiú）扩散的速（sù）度很慢，被奥（ào）氏体包围又***了它的长大（dà）；所以，即使球（qiú）墨（mò）铸铁的（de）碳当量比灰铸铁高（gāo）很多，球铁的石墨化却（què）比（bǐ）较困难（nán），因（yīn）而也就没有足够的石墨化膨胀来抵消凝固收缩（suō）；因（yīn）此，球墨铸铁容易产生缩孔。

另外，包裹石墨球（qiú）的奥氏体层厚度一般是石墨球径的1.4倍，也就是（shì）说石墨球越（yuè）大（dà）奥氏体层越厚，液体中的（de）碳通过（guò）奥氏（shì）体转移至石墨球的难度也越（yuè）大。

低硅球墨铸铁容易产生（shēng）白口的根本（běn）原因也（yě）在于球（qiú）墨铸（zhù）铁的凝固方式。如（rú）上（shàng）所述，由（yóu）于球墨（mò）铸铁石墨（mò）化（huà）困难（nán），没有足够的（de）由石墨化（huà）产生的结晶潜热向（xiàng）铸型内释（shì）放而增大（dà）了过冷度，石墨（mò）来不及析（xī）出就形（xíng）成（chéng）了渗（shèn）碳体（tǐ）。此外（wài），球墨铸铁孕育衰退快（kuài），也是极易发生过冷的因素之一。

2.球墨（mò）铸铁无冒口铸造的条件

从球墨铸铁的凝固特点（diǎn）不难（nán）看（kàn）出，球墨铸（zhù）铁（tiě）件要实现无冒口铸造的难度（dù）较大（dà）。笔者根据自己多年的生产（chǎn）实（shí）践经验，对（duì）球墨铸（zhù）铁实现无冒口（kǒu）铸造工艺所需具备的条件作了一些（xiē）归纳总结，在（zài）此与同行分享。

2.1铁（tiě）液成（chéng）分的选择

（1）碳（tàn）当量（CE）

在同等条件（jiàn）下，微小的石墨在铁液中容易溶解并且不容易生长；随着石墨长大，石墨的生长速度也（yě）变快（kuài），所以（yǐ）使铁液在共晶前就产生初生石墨对促进共晶凝固石（shí）墨化是非常有利的（de）。过共晶成分（fèn）的（de）铁（tiě）液就能满足这样的（de）条件，但过高的CE值使石墨在（zài）共晶凝（níng）固前就长（zhǎng）大，长大（dà）到一定（dìng）尺寸时石墨开始（shǐ）上浮，产生（shēng）石（shí）墨漂（piāo）浮缺陷。这时，由石墨化引起的体（tǐ）积（jī）膨胀只会造成铁（tiě）液液面上（shàng）升，不但对铸（zhù）件的补（bǔ）缩毫无意义，而且由于石墨在液态（tài）时吸收（shōu）了（le）大量的碳，反而造（zào）成在共晶（jīng）凝固时铁液中的w（C）量低不能产生足够的共（gòng）晶石墨，也就不能抵消由于共晶（jīng）凝固（gù）造成的收（shōu）缩。实践证明（míng），能（néng）够将CE值控（kòng）制在4.30%~4.50%是（shì）***理想的。

（2）硅（Si）

一般认为在Fe-C-Si系（xì）合金中， Si是石墨化元素，w（Si）量高有利（lì）于石（shí）墨（mò）化膨胀，能够减少（shǎo）缩（suō）孔的（de）发（fā）生（shēng）。很少有人知道（dào），Si是阻（zǔ）碍共晶凝（níng）固石墨化的。所（suǒ）以，不论从补（bǔ）缩的角（jiǎo）度考虑，还是从防止碎（suì）块状石墨产生的角度考虑，只（zhī）要能通过（guò）强化孕（yùn）育等措施防止白（bái）口产生，都要尽可能地降低w（Si）量。

（3）碳（C）

在合理的CE值（zhí）条件下，尽可（kě）能（néng）提高w（C）量（liàng）。事实（shí）证明球墨（mò）铸铁的w（C）量控制在（zài）3.60%~3.70%，铸件具（jù）有***小的收（shōu）缩（suō）率（lǜ）。

（4）硫（S）

S是阻（zǔ）碍石（shí）墨球化的主要元素，球化处理的主要（yào）目的（de）就（jiù）是（shì）脱S，但（dàn）球墨铸铁孕育衰退快与w（S）量太低有直接关系；所（suǒ）以，适当的w（S）量（liàng）是必要的。可以将w（S）量控制在0.015%左右，利用MgS的（de）成核作（zuò）用（yòng）增加石（shí）墨（mò）核心质点以增加石墨球数，减少衰退。

（5）镁（Mg）

Mg也是阻碍石（shí）墨化的元素，所以在保证球化率能（néng）够达到90%以上的前提（tí）下，Mg应尽可能低。在原铁液w（O）、w（S）量不高的条件下，残留（liú）w（Mg）量能够控制在0.03%~0.04%是***理想的。

（6）其他元（yuán）素

Mn、P、Cr等（děng）所有阻碍石（shí）墨（mò）化的元素越低越好。

要注意微量元素的影响，如Ti。当w（Ti）量低时（shí），是强力促进（jìn）石墨化元素（sù），同时Ti又是碳化物形成元素，又（yòu）是影响球化（huà）促进蠕虫状石墨（mò）产生的（de）元素，所以w（Ti）量（liàng）控制（zhì）得越低（dī）越（yuè）好。笔者（zhě）公司（sī）曾经有一个非常（cháng）成熟的（de）无（wú）冒口铸造工艺，由于（yú）一时原（yuán）材料短缺而使用了w（Ti）量（liàng）为0.1%的生铁（tiě），生产出的铸件不但表面有缩陷，加（jiā）工后内（nèi）部也出现了集中（zhōng）型缩孔。

总之，纯净（jìng）原材料对提高（gāo）球墨铸铁的自补缩能力（lì）是有（yǒu）利的（de）。

2.2浇注（zhù）温度（dù）

有实验表明，球墨铸（zhù）铁的浇注（zhù）温度从1350℃到1500℃对铸件收缩的（de）体积没（méi）有明显的影响，只不（bú）过（guò）缩孔的形态从集中型逐渐向（xiàng）分散型过（guò）度。石墨（mò）球的尺寸也随（suí）着（zhe）浇注温度（dù）的升高逐渐变大，石墨球的（de）数量逐（zhú）渐减（jiǎn）少。所以没有必要苛求过低的浇注温度，只要（yào）铸型（xíng）强度足够抵抗铁液（yè）的静压力，浇注温（wēn）度（dù）可以高一些。通过铁液（yè）加（jiā）热铸型减少共晶凝固时的过冷度（dù），使石（shí）墨（mò）化有充足的时间（jiān）进行。不过，浇注速（sù）度要（yào）尽可能地（dì）快，以尽量减少（shǎo）型内（nèi）铁液的温度差。

2.3冷铁

根据（jù）笔者使用冷铁的经验（yàn）及利用（yòng）以（yǐ）上理（lǐ）论分析，冷铁能够消除缩孔缺陷的说法并不确切。一方面，局部使用冷铁（如打孔部位），只能（néng）使缩孔转移而不是（shì）消除（chú）缩孔；另一方面，大面积地使用冷铁而获得了减少补缩或无冒口的效果，只是无意识（shí）地增加了铸型强度而不是冷铁减少了液体或共晶凝固收缩。事实上，如果冷铁（tiě）使（shǐ）用过（guò）多，影响（xiǎng）了（le）石墨球的长大（dà）及（jí）石墨化的程度（dù），相反会加剧（jù）收缩。

2.4铸型强度（dù）和（hé）刚度

由于球（qiú）铁大都选择共晶或过（guò）共晶成分（fèn），铁液在铸型中冷却至共晶温度（dù）所经过（guò）的时间较长，也就是铸型所承受的铁（tiě）液（yè）静压力的时间要比亚（yà）共晶成分的（de）灰（huī）铸铁要长，铸型也就更容易产生压（yā）缩性（xìng）变形。当（dāng）石墨化膨胀引起的（de）体积增加不能抵（dǐ）消液体（tǐ）收（shōu）缩+凝固收缩+铸型变形体积时，产生缩孔也就在所（suǒ）难免。所以，足够的铸型（xíng）刚度及（jí）抗（kàng）压强度是（shì）实现（xiàn）无冒口铸造（zào）的重要条件，有许多覆（fù）砂铁型铸造工艺实现无冒口铸造既是这一理论的（de）证明。

2.5孕育（yù）处理

强效（xiào）孕育剂及瞬时延（yán）后孕育工艺（yì）既能给予铁液大量的核心质点，又能防止（zhǐ）孕育衰退，能够（gòu）保（bǎo）证球墨铸铁在共晶凝固（gù）时有足够的石墨球数；多而小的石墨球减少了液体（tǐ）中（zhōng）的C向石墨核心转移的距离，加快了石墨（mò）化速度，短时（shí）内大（dà）量的共晶凝固又（yòu）能释（shì）放出较多的结晶潜热，减少了过冷（lěng）度，既能防止白口的产生，又能加强（qiáng）石墨化膨胀。因而（ér）。强效孕育对提（tí）高（gāo）球墨铸铁的自补缩能力（lì）至关（guān）重要。

2.6铁液过滤

铁液（yè）经过过滤，滤除了部（bù）分氧化夹杂，使铁液的微观流动性增强，可以降低微观缩（suō）孔（kǒng）的产生几率。

2.7铸件模数

由于铸（zhù）态珠光（guāng）体球铁需（xū）要加入（rù）阻碍石墨化的元素，这会（huì）影响石墨化程度，对铸件（jiàn）实（shí）现自补缩（suō）目的有一定影响，所以有（yǒu）资料（liào）介绍（shào），无冒口铸造（zào）适用于牌号在（zài）QT500以下（xià）的（de）球墨铸铁。除此之外，由铸件的形（xíng）状尺寸所决定的模数应在3.1cm以（yǐ）上。

值得注意的是（shì），厚度＜50mm的板类铸件实现无冒口铸造是（shì）困难的。

也有（yǒu）资料（liào）介绍，对（duì）QT500以上的球墨铸铁（tiě）实现无冒（mào）口（kǒu）铸（zhù）造工艺（yì）的条件是其模数应大于3.6cm。

3.应用实例介绍

3.1大模数铸件（jiàn）无（wú）冒口铸（zhù）造工艺实（shí）例（lì）

材（cái）料牌号为GGG70的风电增速（sù）器（qì）行星支架（jià）铸件，重（chóng）量（liàng）为3300kg，轮（lún）廓尺寸（cùn）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（zhù）温度为1370~1380℃

考（kǎo）虑到铁液对铸型下部的压力较大（dà），容易（yì）使铸（zhù）型下部产生压（yā）缩变形，所以客户推荐将冷铁主要集中放置在下部（如图1）。根（gēn）据（jù）以往的经（jīng）验，开（kāi）始（shǐ）试制时，我们决定使用无冒口铸造（zào）工艺，也（yě）就是图1去掉冒口的工（gōng）艺。虽（suī）然客户请***人（rén）员对所（suǒ）试制铸件做超声探伤并未（wèi）发现有（yǒu）内部缺陷，解剖结果也未发现缩孔缺陷。但对照其它相关资料及客户提供的参（cān）考工艺，我（wǒ）们对这么（me）重要的铸件（jiàn）批量生产后一旦发生缩孔缺陷的后果甚为担心（xīn），所以对图1工艺进行了凝（níng）固模拟试验（yàn），模拟结（jié）果如图2。

图1 推荐（jiàn）的冒（mào）口补（bǔ）缩工艺

图2 根（gēn）据图1工艺的模拟结果

从模（mó）拟结果（guǒ）可见（jiàn），液态收缩（suō）已经（jīng）将包括内部的3个Φ140×170mm圆形发热保（bǎo）温冒口（kǒu）及外侧的3个320×200×320mm腰圆形发热（rè）保温冒口内（nèi）的（de）铁（tiě）液全（quán）部（bù）用尽；因而，我们在原有（yǒu）320×200×320mm发热保温冒口（kǒu）的上面再加（jiā）上1个同（tóng）等（děng）大（dà）小（xiǎo）的冒口，即将冒（mào）口尺寸改为320×200×640mm。但（dàn）是，浇铸后的结果却（què）是（shì）所有冒（mào）口（kǒu）一点收缩的痕迹也没有（yǒu），从（cóng）而证实了这个铸件完全（quán）可（kě）以实现（xiàn）无冒口（kǒu）铸造（zào）。

3.2小模数铸件有冒口铸造实例（lì）

图3所示的蜂窝板材料牌（pái）号为QT500-7，长×宽×高尺（chǐ）寸为1 230×860×32 mm，铸件模（mó）数M=3.2/2=1.6 cm。

图3 蜂（fēng）窝板毛坯图

此铸件模数（shù）远小于（yú）3.1cm，显然不适用于无（wú）冒口铸造工艺，但试制时为了提（tí）高工（gōng）艺出品率，采用了立（lì）浇雨淋式浇（jiāo）口（图4），原意（yì）是想使铸件（jiàn）在凝固时（shí）产（chǎn）生自上而下的温度梯度，以利用横浇口补缩，但结（jié）果却（què）是在（zài）铸件的中间部位加工后产生了大面（miàn）积连通性缩孔（图4中（zhōng）双点（diǎn）划线处（chù））。试制4件无一件成品（pǐn）。

图4 试（shì）制工（gōng）艺方案示意（yì）图（tú）

于是，我们改变思路，制定了如图5所示的卧浇、冷铁加冒口工艺。用冷铁将铸件（jiàn）分割成9部分（fèn），每部分（fèn）的（de）中央放置冒口。改进后的工（gōng）艺出（chū）品率大于75%，产品质量稳（wěn）定，废品率在2.0%以下，由于原材料和工艺都较稳定，加工后（hòu）几（jǐ）乎（hū）没（méi）有废品（pǐn）。

图5 改进后的成熟工艺