球墨铸铁的凝固特性和铸件冒口的设置.pdf

球墨铸铁的凝固特性和铸件冒口的设置 中国铸造协会 李传栻 一般说来，球墨铸铁件产生缩孔、缩松的倾向比灰铸铁件大得多，防止收缩缺陷往往是 工艺设计中十分棘手的问题。在这方面，从实际生产中总结出来的经验很不一致，各有自己 的见解：有人认为应该遵循顺序凝固的原则，在最后凝固的部位放置大冒口，以补充铸件在 凝固过程中产生的体积收缩；有人认为球墨铸铁件只需要采用小冒口，有时不用冒口也能生 产出健全的铸件。 要在确保铸件质量的条件下最大限度地提高工艺出品率，仅仅依靠控制铸铁的化学成分 是不够的，必须在了解球墨铸铁凝固特性的基础上，切实控制铸铁熔炼、球化处理、孕育处 理和浇注作业的全过程，而且要有效地控制铸型的刚度。 一、球墨铸铁的凝固特性 实际生产中采用的球墨铸铁，大多数都接近共晶成分。厚壁铸件采用亚共晶成分，薄壁 铸件采用过共晶成分，但偏离共晶成分都不远。 共晶成分、过共晶成分的球墨铸铁，共晶凝固时都是先自液相中析出小石墨球。即使是 亚共晶成分的球墨铸铁，由于球化处理和孕育处理后铁液的过冷度增大，也会在远高于平衡 共晶转变温度的温度下先析出小石墨球。第一批小石墨球在 1300℃甚至更高的温度下就已 形成。 在此后的凝固过程中，随着温度的降低，首批小石墨球有的长大，有的再次溶入铁液， 同时也会有新的石墨球析出。石墨球的析出和长大是在一个很宽的温度范围内进行的。 石墨球长大时，其周围的铁液中碳含量降低，就会在石墨球的周围形成包围石墨球的奥 氏体外壳。奥氏体外壳形成的时间与铸件在铸型中的冷却速率有关：冷却速率高，铁液中的 碳来不及扩散均匀，形成奥氏体外壳就较早；冷却速率低，有利于铁液中的碳扩散均匀，奥 氏体外壳的形成就较晚。 奥氏体外壳形成以前，石墨球直接与碳含量高的铁液直接接触，铁液中的碳易于向石墨 球扩散，使石墨球长大。奥氏体外壳形成后，铁液中的碳向石墨球的扩散受阻，石墨球的长 大速度急剧下降。由于自铁液中析出石墨时释放的结晶潜热多，约3600 J/g，自铁液中析出 奥氏体时释放的结晶潜热少，约 200 J/g ，在石墨球周围形成奥氏体外壳、石墨球的长大受 阻，就会使结晶潜热的释放显著减缓。在这种条件下，共晶凝固的进行要靠进一步降低温度 以产生新的晶核。因此，球墨铸铁的共晶转变要在颇大的温度范围内完成，其凝固的温度范 围是灰铸铁的二倍或更多一些，具有典型的糊状凝固特性。 简略说来，球墨铸铁的凝固特性主要有以下几方面。 1、凝固温度范围宽 从铁－碳合金的平衡图看来，在共晶成分附近，凝固的温度范围并不宽。实际上，铁液 经球化处理和孕育处理后，其凝固过程偏离平衡条件很远，在共晶转变温度（1150℃）以上 150℃左右，即开始析出石墨球，共晶转变终了的温度又可能比平衡共晶转变温度低50℃左 右。 凝固温度范围这样宽的合金，以糊状凝固方式凝固，很难使铸件实现顺序凝固。因此， 按铸钢件的冒口设计原则，使铸件实现顺序凝固，在最后凝固的热节部位设置大冒口的工艺 方案不是很合适的。 由于在很高的温度下即有石墨球析出，并发生共晶转变，液－固两相共存的时间很长， 铁液凝固过程中同时发生液态收缩和凝固收缩。因此，要像铸钢件那样，通过浇注系统和冒 口比较充分地补充液态收缩也是不太可能的。 1 2 、共晶转变过程中石墨的析出导致体积膨胀 3 3 在共晶温度附近，奥氏体的密度约为 7.3g/cm ，石墨的密度约为 2.15g/cm 。铸件凝固 过程中，石墨的析出会导致系统的体积膨胀，大约每析出1% （质量分数）的石墨可产生3.4% 的体积膨胀。 妥善地利用铸铁中的石墨化膨胀，可以有效地补偿凝固过程中的体积收缩，在一定的条 件下，可以不用冒口生产健全的铸件。 应该着重提出的是：灰铸铁和球墨铸铁都在共晶转变过程中析出石墨、发生体积膨胀， 但是，由于两种铸铁中石墨形态和长大的机制不同，石墨化膨胀对铸铁铸造性能的影响也很 不一样。 灰铸铁共晶团中的片状石墨，与铁液直接接触的尖端优先长大，石墨长大所发生的体积 膨胀大部分作用于石墨尖端接触的铁液，有利于迫使其填充奥氏体枝间的空隙，从而使铸件 更为致密。 球墨铸铁中的石墨