由球墨铸铁的凝固特点认为球铁件（jiàn）易于出现缩孔缩松缺陷，因而（ér）其实现无冒口铸造较为困难。阐述了实现球铁件无冒口（kǒu）铸造工艺所应具备的铁液（yè）成份、浇注温（wēn）度、冷铁工艺（yì）、铸型强度（dù）和刚度、孕育处理、铁液过滤和铸（zhù）件模数等（děng）条件，用大模数（shù）铸（zhù）件和小（xiǎo）模数铸件（jiàn）铸造工艺实例佐证了自己的观点。

1、球墨铸铁的凝固特点

球墨铸铁（tiě）与灰铸铁的凝固方式不（bú）同（tóng）是（shì）由球墨与片墨生长方式不同（tóng）而造成的。

在亚共晶灰铁（tiě）中石墨在初生奥氏体的边（biān）缘开始析出后（hòu），石墨片的两侧（cè）处在奥氏体的（de）包围下从奥氏（shì）体中（zhōng）吸收石墨而变厚，石墨片的（de）先端在液体（tǐ）中吸收石墨而生长。

在球墨铸铁（tiě）中，由于石墨呈球（qiú）状，石墨（mò）球析出后（hòu）就开始向周围吸收石墨，周围的液体因为w（C）量降低而（ér）变为（wéi）固（gù）态的（de）奥氏体并且将石墨球包围；由于石墨球处在奥氏体的包围中（zhōng），从（cóng）奥氏体中只（zhī）能吸收的碳较为有限（xiàn），而液体中的碳通（tōng）过固体向石墨球扩散的速度很慢，被（bèi）奥氏体包围又***了它（tā）的长大；所以，即使球墨铸铁的碳当量（liàng）比（bǐ）灰铸铁高很多，球铁的石墨化（huà）却比较困难，因而也就没有足够的石墨化（huà）膨胀来（lái）抵消凝（níng）固（gù）收缩；因此，球墨铸铁（tiě）容易产生缩孔。

另外，包裹石墨球（qiú）的奥（ào）氏体层厚（hòu）度一般是石墨（mò）球径的1.4倍，也就（jiù）是（shì）说石墨球（qiú）越（yuè）大奥氏（shì）体层越厚，液体中的碳通过奥氏体转移至石墨球的难度也越大。

低硅球墨铸（zhù）铁容易产生白口的（de）根本原因也在（zài）于球墨铸铁的凝固方（fāng）式。如上所述（shù），由（yóu）于球墨铸铁石墨化困难，没（méi）有足够的由石墨化（huà）产生的（de）结晶（jīng）潜（qián）热向铸型内释放而增大了过冷度，石墨来不及析出就形成了渗碳体。此外，球墨铸（zhù）铁孕（yùn）育衰退快，也是极易（yì）发生过冷的（de）因素（sù）之一。

2.球墨铸铁无冒口铸造的条（tiáo）件

从球墨铸（zhù）铁的凝固特点不难看出，球墨铸铁件要实现无冒口铸造的难度较大（dà）。笔者（zhě）根据自己多年（nián）的生产实践（jiàn）经验，对球（qiú）墨（mò）铸（zhù）铁（tiě）实现无冒口铸造工艺（yì）所需具备的条件作了一些归纳总（zǒng）结，在此与（yǔ）同行分享。

2.1铁液成分（fèn）的选择

（1）碳当量（liàng）（CE）

在同等条件下，微小（xiǎo）的石墨在铁液（yè）中（zhōng）容易（yì）溶解（jiě）并且不容易生长；随着石墨（mò）长大，石墨的生长（zhǎng）速度也变快，所以使铁液在（zài）共晶前就产（chǎn）生初生（shēng）石（shí）墨对促进共晶凝固（gù）石墨化是非常（cháng）有利的（de）。过共晶成分（fèn）的铁（tiě）液就能满足这样的条件，但过高的CE值使石墨在共（gòng）晶凝固前就长大，长大到一定（dìng）尺寸时石墨开始上浮，产生石墨（mò）漂浮缺陷。这时，由石墨化引起的体积（jī）膨胀只会造成（chéng）铁液（yè）液面上升，不但对（duì）铸件的补缩毫无意义，而且由于石墨在（zài）液态时吸（xī）收了大量的（de）碳，反而造成在（zài）共晶凝固时铁液中的w（C）量低（dī）不能产生足够的共（gòng）晶石墨，也就不能抵消由于共晶（jīng）凝固造成的收缩（suō）。实（shí）践证明，能（néng）够将（jiāng）CE值（zhí）控制在（zài）4.30%~4.50%是***理想的。

（2）硅（Si）

一般（bān）认为在Fe-C-Si系合金中， Si是石（shí）墨化（huà）元（yuán）素，w（Si）量（liàng）高有利于石（shí）墨化膨胀，能够减（jiǎn）少缩孔的发生。很少有人知（zhī）道，Si是（shì）阻碍共晶凝固石墨化的。所以，不论从补缩的角度（dù）考虑，还是从防止碎（suì）块状石墨（mò）产生的角度考虑（lǜ），只要（yào）能通过强（qiáng）化孕育等措（cuò）施防止（zhǐ）白口产生（shēng），都（dōu）要（yào）尽（jìn）可能地降低w（Si）量（liàng）。

（3）碳（tàn）（C）

在合理的CE值条件下，尽可能（néng）提高w（C）量。事实证明球墨（mò）铸铁的w（C）量控制在3.60%~3.70%，铸件具有***小的收缩率。

（4）硫（S）

S是阻碍石墨球化的主要元素，球化处（chù）理（lǐ）的主（zhǔ）要目的就（jiù）是脱S，但球墨铸（zhù）铁孕育衰（shuāi）退快与（yǔ）w（S）量太低有（yǒu）直接关（guān）系；所以，适当（dāng）的w（S）量是（shì）必要的（de）。可以将（jiāng）w（S）量控制在0.015%左右，利用MgS的成核作（zuò）用增加石墨核心质点（diǎn）以增加石墨球数，减少衰退。

（5）镁（Mg）

Mg也是阻碍石墨化的元素，所以在保（bǎo）证（zhèng）球（qiú）化率能够达（dá）到（dào）90%以上的前提下，Mg应尽可能低（dī）。在原铁液w（O）、w（S）量（liàng）不高（gāo）的条件下，残留w（Mg）量能够控制（zhì）在0.03%~0.04%是***理想的。

（6）其他元（yuán）素（sù）

Mn、P、Cr等（děng）所（suǒ）有（yǒu）阻碍石（shí）墨化的元素越低越好。

要（yào）注意微量（liàng）元素的影响（xiǎng），如Ti。当w（Ti）量低时，是强力（lì）促进（jìn）石墨化元（yuán）素，同时（shí）Ti又是碳化物（wù）形成元素，又是影响（xiǎng）球化（huà）促进蠕虫状石墨产生（shēng）的元素，所以w（Ti）量控制得越低（dī）越好。笔者公司曾经有一（yī）个非常（cháng）成（chéng）熟（shú）的无冒口铸造工（gōng）艺，由于一时原材（cái）料短缺而使用了w（Ti）量（liàng）为0.1%的生铁（tiě），生产出的铸（zhù）件（jiàn）不但表面有缩（suō）陷，加工后内部也（yě）出现了集中（zhōng）型缩孔。

总之，纯净原材料对提高球墨（mò）铸铁的自（zì）补缩（suō）能（néng）力是有利的。

2.2浇注温（wēn）度

有实验表明，球墨铸铁的浇（jiāo）注温度从1350℃到（dào）1500℃对（duì）铸（zhù）件收缩的体积没有明显（xiǎn）的影响，只不过缩（suō）孔的形态（tài）从集中型逐渐（jiàn）向分散型过度。石墨球的尺寸也随着浇注温度的升（shēng）高逐（zhú）渐变（biàn）大，石墨球的（de）数（shù）量逐渐减少。所以没（méi）有必要苛求过低的浇注温度，只要铸（zhù）型强度足够抵抗铁液的静压力，浇（jiāo）注（zhù）温度可以（yǐ）高（gāo）一（yī）些。通过（guò）铁液加热（rè）铸型减少共晶凝（níng）固（gù）时的过冷（lěng）度，使石墨（mò）化有充足的（de）时间进行。不过，浇（jiāo）注（zhù）速度要（yào）尽可能（néng）地快（kuài），以尽量减（jiǎn）少型内（nèi）铁液的（de）温度差。

2.3冷铁

根据笔者使用冷铁的经（jīng）验及利用以上理（lǐ）论分析，冷铁能够（gòu）消除缩孔缺陷（xiàn）的说法并不（bú）确切（qiē）。一方面，局部使用冷铁（如（rú）打孔部位），只能使（shǐ）缩孔转移而不（bú）是（shì）消除缩孔；另一方面（miàn），大面积地使用冷铁而（ér）获得了减少补缩或无（wú）冒（mào）口的效果，只是无意（yì）识地增（zēng）加了铸型强度而（ér）不是冷铁（tiě）减少了（le）液体或共晶凝固（gù）收缩。事实上，如果冷铁使用过多，影响了石（shí）墨球的长大及石墨（mò）化的程（chéng）度，相（xiàng）反会加（jiā）剧（jù）收缩。

2.4铸型强度和（hé）刚度

由（yóu）于球铁（tiě）大都选择共（gòng）晶或过共晶（jīng）成分，铁液在（zài）铸型（xíng）中冷却至共晶温度所经过的时间较长，也就是铸型所（suǒ）承受（shòu）的（de）铁（tiě）液静（jìng）压力（lì）的时间（jiān）要比亚共晶（jīng）成分的灰铸铁要长，铸型也就更（gèng）容易产（chǎn）生压缩性变形。当石墨（mò）化膨胀引起的（de）体积增加不能抵消液体收缩+凝固收缩+铸型变形体积时，产生（shēng）缩（suō）孔也就在所难免（miǎn）。所以，足（zú）够的铸型刚度（dù）及抗压强度是实现无冒口铸（zhù）造的重要（yào）条件（jiàn），有许多（duō）覆砂铁型铸造工（gōng）艺实（shí）现（xiàn）无冒口铸造既（jì）是这一理论的证（zhèng）明。

2.5孕育处理（lǐ）

强效孕育剂及瞬时延后孕（yùn）育工艺既能给予铁液大量的核心质点（diǎn），又能防止孕（yùn）育衰退，能够保证球墨铸铁在共晶（jīng）凝固时（shí）有足够（gòu）的（de）石墨球数；多而小的石墨球（qiú）减少（shǎo）了液体中的C向石墨核（hé）心转移的距（jù）离，加快了石墨化（huà）速（sù）度，短时内大量的共晶凝固（gù）又（yòu）能释放出较多的结（jié）晶潜热（rè），减（jiǎn）少（shǎo）了过冷度（dù），既能防止白口（kǒu）的（de）产生，又能加强石（shí）墨化膨胀。因而。强效孕育对提高球墨铸（zhù）铁的自补（bǔ）缩能力至关重要。

2.6铁液过滤

铁液经过过滤，滤（lǜ）除了部分氧化夹杂，使铁液（yè）的微观（guān）流动性增（zēng）强（qiáng），可（kě）以降低微观缩孔的产生（shēng）几率。

2.7铸件（jiàn）模数

由于（yú）铸（zhù）态珠光体（tǐ）球铁（tiě）需要加入阻碍石墨（mò）化的元素，这会（huì）影响（xiǎng）石（shí）墨（mò）化程度（dù），对铸件实现（xiàn）自补（bǔ）缩目的有一定影响（xiǎng），所以有资料介（jiè）绍，无冒口（kǒu）铸造适用于牌号在QT500以（yǐ）下的球墨铸（zhù）铁（tiě）。除此（cǐ）之外，由铸件的形状尺寸所决定的（de）模数应在3.1cm以上。

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

也有资料介绍，对QT500以上（shàng）的球墨铸铁实现无（wú）冒（mào）口铸造工艺的条件（jiàn）是其模数应大于3.6cm。

3.应用实例介绍

3.1大模数铸件无冒（mào）口铸造工艺实例

材料（liào）牌号为（wéi）GGG70的（de）风电增速（sù）器行（háng）星（xīng）支（zhī）架（jià）铸件，重量为3300kg，轮廓尺寸（cùn）为φ1260×1220mm，铸件模数（shù）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（wēn）度（dù）为1370~1380℃

考虑到铁液对铸型下部的压力较大，容易使铸型下（xià）部（bù）产生（shēng）压缩变形，所以客户推荐将冷铁主要集中放置在（zài）下部（如图1）。根据以往的经（jīng）验，开始试制时，我们决定使（shǐ）用无冒口（kǒu）铸造（zào）工艺，也就是图1去（qù）掉（diào）冒口的工艺。虽然客（kè）户请***人员对（duì）所试（shì）制铸件做超声探伤并未发现有（yǒu）内部缺陷，解（jiě）剖结果也未发现缩孔缺（quē）陷。但对照其它相关资料及客户（hù）提供的参考（kǎo）工艺，我们对这么重（chóng）要的铸件批量生产（chǎn）后一旦发生缩孔缺陷的后果甚为（wéi）担心（xīn），所（suǒ）以对图1工艺进行了凝（níng）固模拟试验，模拟（nǐ）结果如图（tú）2。

图1 推（tuī）荐的（de）冒口补缩工（gōng）艺（yì）

图2 根据图1工艺的模拟结果

从模拟结果可（kě）见，液态收缩已经将包括内部的3个（gè）Φ140×170mm圆形发热保温冒口及外侧（cè）的3个320×200×320mm腰（yāo）圆（yuán）形发热保温冒（mào）口（kǒu）内的铁液全部用尽；因（yīn）而，我们在原有320×200×320mm发热保（bǎo）温冒口的（de）上面再加上1个同等大（dà）小的冒口（kǒu），即将（jiāng）冒口尺寸改为320×200×640mm。但是（shì），浇铸后（hòu）的结果（guǒ）却是（shì）所有冒口一点收缩的（de）痕迹（jì）也没有，从而（ér）证（zhèng）实了这个铸（zhù）件完全可以实现无冒（mào）口铸造。

3.2小模数铸件（jiàn）有冒口铸（zhù）造实例

图3所（suǒ）示（shì）的蜂窝板材料牌（pái）号为（wéi）QT500-7，长×宽×高尺（chǐ）寸为（wéi）1 230×860×32 mm，铸件模数M=3.2/2=1.6 cm。

图3 蜂窝（wō）板毛坯（pī）图

此铸件（jiàn）模数远小于3.1cm，显然（rán）不适用于无冒口铸造工艺（yì），但试制时为了提（tí）高工艺（yì）出品率，采（cǎi）用了立浇雨（yǔ）淋式浇口（图（tú）4），原（yuán）意是想使铸（zhù）件在（zài）凝固时产生自上（shàng）而下（xià）的温度梯度，以（yǐ）利用横浇口（kǒu）补缩，但结（jié）果却是在铸（zhù）件的中间部位加工后产生了（le）大面积（jī）连通性缩孔（图4中双点（diǎn）划线处）。试制4件（jiàn）无一件成品（pǐn）。

图（tú）4 试制工（gōng）艺方案示意图

于（yú）是，我（wǒ）们改变思路，制定了如（rú）图5所示的（de）卧（wò）浇、冷铁加冒口工艺。用冷铁将铸件分割（gē）成9部分，每部分的中央（yāng）放（fàng）置（zhì）冒口。改进后的工艺出品率大于75%，产品质量稳定，废品率在2.0%以下，由（yóu）于原材料和（hé）工艺都较（jiào）稳定，加工后几乎（hū）没有废品（pǐn）。

图5 改进后的成熟工艺