由球墨铸铁的（de）凝（níng）固（gù）特点认为球铁（tiě）件（jiàn）易（yì）于出现缩孔缩松缺陷，因而其（qí）实现无（wú）冒口铸造（zào）较为（wéi）困难。阐述了实现球（qiú）铁件无冒口铸造工艺所应具备的铁液（yè）成份、浇（jiāo）注温度、冷铁工艺、铸型强度和刚度（dù）、孕育处理（lǐ）、铁液过滤和铸件（jiàn）模数等条（tiáo）件，用大模（mó）数铸件和小模数铸（zhù）件（jiàn）铸造工（gōng）艺实例（lì）佐证了自己的（de）观点。

1、球（qiú）墨（mò）铸（zhù）铁的凝（níng）固特点（diǎn）

球（qiú）墨铸铁与灰铸铁（tiě）的凝固方式不同是由球（qiú）墨与片墨生（shēng）长方式不同而造成的。

在亚共晶灰铁中石墨在初生奥氏体的边缘开始析出后，石（shí）墨片的两侧处在奥氏体的包围下从奥氏体（tǐ）中吸收石墨而变厚，石墨（mò）片的先端（duān）在液体中（zhōng）吸收石墨而生长。

在球（qiú）墨铸铁中，由于（yú）石墨呈球状，石墨球析出后就开始（shǐ）向周围吸收石墨，周围的液体因（yīn）为w（C）量降（jiàng）低而变为固（gù）态的奥氏体（tǐ）并（bìng）且将石（shí）墨球包围；由（yóu）于石墨球处在奥氏体的包围中，从奥氏（shì）体中只能吸收（shōu）的（de）碳较（jiào）为有（yǒu）限，而（ér）液体（tǐ）中的碳通过固（gù）体向（xiàng）石墨球扩散（sàn）的速度很（hěn）慢，被奥氏（shì）体包围又***了它的（de）长大（dà）；所以（yǐ），即使（shǐ）球墨铸（zhù）铁的碳当量比灰铸铁高很多，球（qiú）铁的石墨化却比较困难，因而也就没有（yǒu）足够（gòu）的石墨化（huà）膨胀来抵（dǐ）消凝固收缩；因此，球墨铸铁容易产（chǎn）生缩孔（kǒng）。

另外，包裹（guǒ）石墨（mò）球的奥氏（shì）体层厚度（dù）一般是石墨球（qiú）径的（de）1.4倍，也就是说石墨球越大奥氏体层越厚，液体中的碳通过奥氏体转移（yí）至石墨球的难度也越（yuè）大。

低硅球墨铸铁容易产生白口的根本原因也在于球墨铸铁的（de）凝固方式。如（rú）上所述（shù），由于球（qiú）墨铸（zhù）铁石墨化困难，没有足够的由石墨化产生（shēng）的结晶潜热向铸型内释（shì）放（fàng）而增大（dà）了过冷度，石墨来不及析（xī）出就形成了渗碳体。此外，球（qiú）墨铸铁孕育衰退快，也是（shì）极易发生（shēng）过冷的因素（sù）之一。

2.球墨铸铁（tiě）无冒口（kǒu）铸造的条件

从球墨铸铁的凝固特（tè）点不（bú）难看出，球墨铸铁件要实现无冒口铸造的难度较大。笔（bǐ）者根据自己多年（nián）的生产（chǎn）实践经验，对球墨铸（zhù）铁实现无（wú）冒（mào）口铸造工艺所需具备的条（tiáo）件作了（le）一些归纳总结，在此与同行分享。

2.1铁液成（chéng）分的选择（zé）

（1）碳当量（CE）

在同等条件下，微小（xiǎo）的石墨（mò）在（zài）铁液中容易溶解并且不容易生（shēng）长；随着（zhe）石墨长（zhǎng）大，石（shí）墨的生（shēng）长速度也（yě）变（biàn）快，所以使铁液（yè）在（zài）共（gòng）晶前（qián）就产生初生石（shí）墨对促进共（gòng）晶凝（níng）固石墨化是非常（cháng）有利（lì）的。过共晶成分（fèn）的（de）铁液就能满足这样的条件（jiàn），但过（guò）高（gāo）的CE值使（shǐ）石（shí）墨在共晶凝（níng）固前就长大，长大到一（yī）定尺寸时石墨开始（shǐ）上浮，产生石墨漂浮缺陷。这（zhè）时（shí），由（yóu）石墨化引起的体（tǐ）积膨胀只（zhī）会造成铁液（yè）液面上升，不（bú）但对（duì）铸件的补缩毫无意（yì）义，而且（qiě）由（yóu）于石墨（mò）在液态时吸收了（le）大量的碳，反而造成在共晶凝固时（shí）铁液中的w（C）量低不能产生足够的共晶石墨，也就不（bú）能（néng）抵消由于共晶凝（níng）固造成的收缩。实践证（zhèng）明，能够将CE值控制在4.30%~4.50%是（shì）***理（lǐ）想的。

（2）硅（Si）

一般认为在Fe-C-Si系合金中（zhōng）， Si是石墨化（huà）元素（sù），w（Si）量高（gāo）有利于（yú）石墨化膨胀，能（néng）够减少缩（suō）孔的发（fā）生。很少有（yǒu）人知道，Si是阻碍共晶凝固石墨化的（de）。所（suǒ）以，不论从补缩（suō）的角度考虑，还（hái）是从防止碎块状石墨产生（shēng）的角度考（kǎo）虑，只要能通过（guò）强化孕育等措施防止白口（kǒu）产生（shēng），都要尽（jìn）可能地（dì）降低w（Si）量。

（3）碳（tàn）（C）

在合理的CE值条件下，尽（jìn）可能提高（gāo）w（C）量。事（shì）实证明球墨铸铁的w（C）量控制在3.60%~3.70%，铸件具有***小（xiǎo）的（de）收缩（suō）率（lǜ）。

（4）硫（S）

S是（shì）阻（zǔ）碍石（shí）墨球化的主要元素，球化处理的主要（yào）目的就是脱S，但（dàn）球墨铸铁（tiě）孕育衰退快与w（S）量太（tài）低有直（zhí）接（jiē）关（guān）系；所以（yǐ），适当的w（S）量是（shì）必要的。可（kě）以将w（S）量（liàng）控制在0.015%左（zuǒ）右，利用MgS的（de）成核作用增（zēng）加石墨核心（xīn）质（zhì）点以增（zēng）加石墨球数，减少（shǎo）衰退。

（5）镁（Mg）

Mg也是阻碍（ài）石墨化的元素，所（suǒ）以在保证球化率（lǜ）能够（gòu）达到90%以上的（de）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w（Mg）量能（néng）够控制（zhì）在0.03%~0.04%是***理（lǐ）想的。

（6）其他元素

Mn、P、Cr等（děng）所有阻碍石墨化的元素越低（dī）越好。

要注意微（wēi）量元（yuán）素（sù）的影响，如Ti。当w（Ti）量低时（shí），是强力促进（jìn）石（shí）墨化元素，同时Ti又（yòu）是碳化物形成元素，又是影响球化促（cù）进蠕虫状石墨（mò）产生的元素，所以（yǐ）w（Ti）量控制得越低越好。笔者公（gōng）司曾经有一个非常成熟的无冒（mào）口铸造工（gōng）艺，由于一（yī）时原（yuán）材（cái）料短缺而使用（yòng）了w（Ti）量（liàng）为（wéi）0.1%的生铁，生产出的铸件不但表（biǎo）面有缩陷，加工后内部也（yě）出现（xiàn）了（le）集（jí）中型缩孔（kǒng）。

总之，纯净原材（cái）料对提（tí）高球墨（mò）铸铁的自（zì）补缩能力是有（yǒu）利的。

2.2浇（jiāo）注温度

有实验表明，球墨铸铁的（de）浇注温度从1350℃到1500℃对（duì）铸（zhù）件收缩的体（tǐ）积没有明显的（de）影响，只（zhī）不（bú）过缩孔的形（xíng）态（tài）从（cóng）集（jí）中型（xíng）逐渐向分（fèn）散型过度。石墨（mò）球的尺（chǐ）寸也（yě）随（suí）着浇注温度的升高（gāo）逐渐变大，石墨球的数量逐渐减少。所以（yǐ）没有必要（yào）苛（kē）求（qiú）过低的（de）浇（jiāo）注（zhù）温度，只要（yào）铸型（xíng）强（qiáng）度足（zú）够抵（dǐ）抗铁液（yè）的静压力，浇注温度可以高一些。通过铁液加热铸型减少共晶（jīng）凝固时的过冷度，使石墨化有充足（zú）的时（shí）间进行。不过，浇注速度要尽（jìn）可能地快，以（yǐ）尽量减（jiǎn）少型内（nèi）铁液的温度差。

2.3冷铁

根（gēn）据笔者使用冷铁（tiě）的经验及利用（yòng）以上理（lǐ）论分析，冷铁能（néng）够（gòu）消除缩孔（kǒng）缺陷的说法（fǎ）并（bìng）不确（què）切（qiē）。一方面，局部使用冷（lěng）铁（tiě）（如打（dǎ）孔（kǒng）部位），只能使缩（suō）孔转移而不是消（xiāo）除（chú）缩孔；另一方（fāng）面，大面积地使用冷铁而获得了减少补缩或无冒口的（de）效果，只是无（wú）意识地增加（jiā）了铸型强度而不是冷铁减（jiǎn）少（shǎo）了液体或共晶凝固收缩。事实上，如果冷铁使用过多（duō），影响了（le）石（shí）墨（mò）球的长大及（jí）石墨（mò）化（huà）的程度，相反（fǎn）会加剧收缩。

2.4铸型强度（dù）和刚度

由于（yú）球铁大都选择共晶或过共晶成分（fèn），铁液在铸型中冷却至共（gòng）晶温度所（suǒ）经过的（de）时间较长，也（yě）就是铸型所承受（shòu）的铁液静压力的（de）时间要比亚共（gòng）晶成分的灰铸铁要长，铸型也就更容易产生压（yā）缩性（xìng）变形。当石墨化膨胀（zhàng）引（yǐn）起的（de）体积增加（jiā）不能（néng）抵消液体收缩+凝固（gù）收缩+铸（zhù）型变（biàn）形体积时，产生缩孔也（yě）就（jiù）在所难免。所以，足够（gòu）的铸（zhù）型（xíng）刚度及抗（kàng）压强度是实现无冒口铸造的重要（yào）条件，有许多覆（fù）砂铁型铸造工艺实现（xiàn）无冒口铸造既是这一理论（lùn）的（de）证明。

2.5孕育（yù）处理

强（qiáng）效孕育剂（jì）及瞬时（shí）延后孕育工艺既能给予铁液（yè）大量的核心质点，又能防止孕育衰退，能（néng）够保证球墨铸铁（tiě）在共晶凝固时有足够的（de）石（shí）墨球数；多而（ér）小的石墨球减少了液（yè）体中的（de）C向石墨核心转移的距离，加快（kuài）了石墨化速度，短时内（nèi）大量的共晶凝固又能释放（fàng）出较多（duō）的结晶潜热，减少（shǎo）了过冷度（dù），既能防（fáng）止白（bái）口的产生，又能加强石墨化膨胀。因而。强效孕育对提高球墨铸铁的自补缩能（néng）力（lì）至关重要。

2.6铁液过滤

铁液经过（guò）过（guò）滤，滤除了部分氧化（huà）夹杂，使（shǐ）铁液的（de）微观流动性增强，可以降低微观缩孔（kǒng）的（de）产（chǎn）生（shēng）几率。

2.7铸件（jiàn）模数

由于（yú）铸态珠光体球铁（tiě）需要加入阻碍石墨化的元素，这会影响石墨化（huà）程度，对铸件实现（xiàn）自补缩目的有一定影响，所以（yǐ）有资料（liào）介绍，无冒口铸造适用于牌号在QT500以下的球（qiú）墨铸铁。除此之外（wài），由铸件的形状尺（chǐ）寸所（suǒ）决定的模数应（yīng）在3.1cm以上。

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

也有资料（liào）介绍（shào），对（duì）QT500以上的球墨铸铁（tiě）实（shí）现无冒口铸造工艺的条件是（shì）其模数应大于3.6cm。

3.应用实例介绍（shào）

3.1大（dà）模数铸（zhù）件无冒口铸造（zào）工（gōng）艺实例

材（cái）料牌号为GGG70的风电（diàn）增速器行星（xīng）支架铸件，重（chóng）量为3300kg，轮廓尺寸（cùn）为φ1260×1220mm，铸件（jiàn）模数约为（wéi）5.0cm。铸件成（chéng）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（wēn）度为1370~1380℃

考虑到铁液对（duì）铸型下部的压（yā）力较大（dà），容（róng）易使铸型（xíng）下部产生（shēng）压缩（suō）变形，所以客户推（tuī）荐（jiàn）将冷铁主要集中放置在（zài）下部（如图1）。根据以往（wǎng）的经验，开始试制时（shí），我们决定使（shǐ）用无冒口铸造工艺（yì），也就是图1去掉冒口的工艺（yì）。虽（suī）然客户请***人员对所（suǒ）试（shì）制铸件做（zuò）超声（shēng）探伤（shāng）并未发现有内部（bù）缺陷，解剖结果也未发现缩（suō）孔缺陷。但对照（zhào）其它相关资（zī）料（liào）及客户（hù）提（tí）供的参考（kǎo）工艺，我们对这么重要的（de）铸件批量生产后一旦发生缩孔缺陷的后果甚为担心，所以（yǐ）对图1工艺进行了凝固（gù）模拟试（shì）验，模拟结果如图2。

图1 推荐（jiàn）的（de）冒口补（bǔ）缩（suō）工艺

图2 根据图（tú）1工艺的（de）模拟结果

从模拟结果可见，液（yè）态收缩已经（jīng）将（jiāng）包括内部的3个Φ140×170mm圆形发热保（bǎo）温冒口及外（wài）侧的3个320×200×320mm腰圆形发热（rè）保温冒口内的（de）铁液（yè）全部用尽（jìn）；因而，我们在原有320×200×320mm发热保温冒口（kǒu）的上面再加（jiā）上1个同（tóng）等大小的（de）冒口，即将冒口尺寸改为320×200×640mm。但是，浇铸后的结果却是所有冒口一点收（shōu）缩的痕迹也没有（yǒu），从而证（zhèng）实了这个铸件完全可以（yǐ）实现无冒口铸造（zào）。

3.2小模数铸件有冒（mào）口铸造实例

图3所示（shì）的蜂窝板材（cái）料牌号为QT500-7，长（zhǎng）×宽×高尺寸为1 230×860×32 mm，铸件模数M=3.2/2=1.6 cm。

图3 蜂窝板毛坯（pī）图（tú）

此铸（zhù）件模（mó）数（shù）远小于3.1cm，显然（rán）不适用于无冒口（kǒu）铸造工艺，但试（shì）制时为了提高工艺出品率，采用了（le）立浇雨淋式浇口（图4），原（yuán）意是想使铸件（jiàn）在凝（níng）固时产生自（zì）上而下的温度梯度，以利用横浇口补缩，但结果却是（shì）在（zài）铸件的（de）中间部位加（jiā）工后产（chǎn）生了大（dà）面（miàn）积（jī）连通性缩孔（图4中双点划线处）。试制（zhì）4件无一（yī）件成品。

图4 试制工艺方案示意图（tú）

于是（shì），我们改变思路，制定了如图（tú）5所示的卧（wò）浇、冷铁加冒口工艺。用冷铁（tiě）将铸件分割成9部分，每部（bù）分的中央放置（zhì）冒口。改进（jìn）后的工（gōng）艺出品率大（dà）于（yú）75%，产品质（zhì）量稳定，废品（pǐn）率在2.0%以（yǐ）下，由于原材料和工艺都较稳定，加（jiā）工后几乎没（méi）有废品。

图5 改进后的成熟工（gōng）艺