由（yóu）球墨铸铁的凝固（gù）特点认为球铁件（jiàn）易于出（chū）现缩孔缩松缺陷，因而其实现（xiàn）无冒口（kǒu）铸造较为困（kùn）难。阐述了实（shí）现球铁件无冒口铸造工艺所应具备的（de）铁液成（chéng）份、浇注温（wēn）度、冷（lěng）铁工（gōng）艺、铸型强度和刚度、孕育处理、铁（tiě）液过滤和铸件（jiàn）模数等条（tiáo）件（jiàn），用（yòng）大（dà）模数铸件和（hé）小模数铸件铸造工艺实（shí）例佐证了（le）自己的（de）观点。

1、球墨铸铁（tiě）的（de）凝固特点（diǎn）

球墨（mò）铸铁与灰铸铁的凝固方式不同（tóng）是由球墨（mò）与片墨生长（zhǎng）方式不同而造成的。

在亚共（gòng）晶灰铁（tiě）中石墨在初生奥氏（shì）体的边缘（yuán）开始析出后，石（shí）墨（mò）片（piàn）的两侧（cè）处在奥氏体的（de）包围下从（cóng）奥氏体中吸收（shōu）石墨而变厚，石墨片（piàn）的先端在（zài）液（yè）体（tǐ）中吸收石（shí）墨而生长。

在球墨（mò）铸铁中，由（yóu）于石（shí）墨呈球（qiú）状，石（shí）墨（mò）球析出后就开始向周围吸收石墨，周围的液体因为w（C）量降低（dī）而变为固态的奥氏体并（bìng）且将石墨球包围（wéi）；由于石墨球处在奥氏体的包围中，从奥氏体中只能（néng）吸收的碳较为有（yǒu）限，而液体（tǐ）中的碳通过固体向石（shí）墨（mò）球（qiú）扩（kuò）散的速（sù）度很慢，被奥氏体（tǐ）包围又***了它（tā）的长大；所以（yǐ），即使球墨铸铁的碳当量比灰铸铁高很多，球铁的（de）石墨化却（què）比较困难（nán），因而也就没有足够的石（shí）墨化膨胀来抵消凝固收缩；因此，球墨铸铁容易产生（shēng）缩孔。

另外，包裹石墨球的奥氏（shì）体层厚度一般是石墨球径的（de）1.4倍，也就是说石墨球（qiú）越大（dà）奥氏体层越厚，液体（tǐ）中的碳通（tōng）过（guò）奥氏体转移（yí）至石墨球的难度也越大。

低硅（guī）球墨铸铁容易产生白口的根本原因也在于球墨铸铁的凝固方（fāng）式。如上所（suǒ）述，由于（yú）球墨铸铁石墨化困难（nán），没（méi）有足够的由（yóu）石墨化产生的（de）结晶潜（qián）热向（xiàng）铸（zhù）型内释（shì）放而增（zēng）大了过冷（lěng）度，石墨来不及析出就形成了渗碳体。此外，球墨铸铁孕育（yù）衰退快，也是极易（yì）发生（shēng）过冷的因（yīn）素之（zhī）一。

2.球墨铸（zhù）铁无冒口铸造的条件

从球墨（mò）铸铁（tiě）的（de）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（jiào）大。笔者根据自己多年的生产实践经验，对球墨铸（zhù）铁实现无（wú）冒口铸造（zào）工艺所需具备的条件（jiàn）作了（le）一些归纳总结，在此与同行分享。

2.1铁液（yè）成分的选择

（1）碳（tàn）当量（CE）

在同等条（tiáo）件下（xià），微小的石墨在铁液（yè）中容易溶解并且（qiě）不容（róng）易生（shēng）长；随（suí）着（zhe）石墨长大，石墨的生长速（sù）度也（yě）变快，所以（yǐ）使（shǐ）铁（tiě）液在共（gòng）晶（jīng）前就（jiù）产（chǎn）生初生石墨（mò）对促进共晶凝固石墨化是非常有（yǒu）利的。过共晶成分（fèn）的铁液就能满足这样（yàng）的条件，但过高（gāo）的CE值使石墨在（zài）共（gòng）晶凝固前就长大，长大到（dào）一定尺寸时石墨开始（shǐ）上浮，产生石墨漂浮缺陷。这时，由石墨化引起的体积（jī）膨胀只（zhī）会造成铁液液面（miàn）上升，不但对铸件的补（bǔ）缩毫无意义，而（ér）且由于石墨在液态时（shí）吸收了大（dà）量的碳，反而造（zào）成在共晶凝固时（shí）铁液中的（de）w（C）量低（dī）不能产（chǎn）生足够（gòu）的共晶（jīng）石墨，也就不能抵消由于共晶凝固造成的（de）收缩（suō）。实践证明，能够（gòu）将CE值控（kòng）制在4.30%~4.50%是***理想的。

（2）硅（guī）（Si）

一般认为在Fe-C-Si系（xì）合金中， Si是石墨（mò）化（huà）元素（sù），w（Si）量高有利于石（shí）墨化膨胀（zhàng），能够减少（shǎo）缩（suō）孔的发（fā）生（shēng）。很少有人知（zhī）道，Si是阻碍共晶凝固（gù）石墨化的。所以，不论从补缩的角度（dù）考虑，还是从防（fáng）止碎（suì）块状石（shí）墨（mò）产生（shēng）的角（jiǎo）度（dù）考虑，只要能通过强（qiáng）化孕育等措施防（fáng）止（zhǐ）白口产生（shēng），都要尽可能地降低w（Si）量（liàng）。

（3）碳（C）

在合（hé）理的（de）CE值（zhí）条件下，尽（jìn）可能提高w（C）量。事实（shí）证明球墨铸（zhù）铁的w（C）量控制在3.60%~3.70%，铸件具有***小（xiǎo）的收（shōu）缩率。

（4）硫（S）

S是阻碍石墨（mò）球化（huà）的主要元素，球化处理的主要目的就是脱S，但球墨铸铁孕育衰退快与w（S）量太低有直接关系；所（suǒ）以，适（shì）当（dāng）的w（S）量是必要的。可以将w（S）量控制在0.015%左右，利用MgS的成核作用增加石墨核心质点以增加石墨球数，减少（shǎo）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够达（dá）到90%以上的（de）前提下，Mg应（yīng）尽（jìn）可能低。在原（yuán）铁液w（O）、w（S）量不高的条件下，残留w（Mg）量能够控制在0.03%~0.04%是***理想（xiǎng）的。

（6）其他元素

Mn、P、Cr等所有阻碍石墨化的（de）元素越低越好（hǎo）。

要注意微量（liàng）元素（sù）的影响，如Ti。当w（Ti）量低时，是强力促（cù）进（jìn）石（shí）墨化（huà）元素，同时（shí）Ti又（yòu）是（shì）碳化（huà）物形（xíng）成元（yuán）素，又是（shì）影响球化促进蠕虫状（zhuàng）石墨产生的元素，所以w（Ti）量控制得越低越好。笔者（zhě）公司曾经有（yǒu）一个非（fēi）常成熟的无冒（mào）口（kǒu）铸造工艺，由（yóu）于一时原（yuán）材料短缺而使用了w（Ti）量（liàng）为0.1%的生铁，生（shēng）产出的铸件不但表面有缩陷，加工后内部也出现了集中型（xíng）缩（suō）孔。

总之，纯净原材料对提高球墨（mò）铸铁的自补缩（suō）能力是（shì）有（yǒu）利的（de）。

2.2浇注温度

有实验（yàn）表明，球墨铸铁的浇注温度（dù）从1350℃到1500℃对铸件收缩的体积没有明显的影响，只不过缩孔的形（xíng）态从集中型逐渐向分（fèn）散型过度。石墨球（qiú）的尺（chǐ）寸也随着浇注温度的升高逐渐（jiàn）变（biàn）大，石墨球的数量逐渐减（jiǎn）少。所以没有必要（yào）苛求（qiú）过低的（de）浇注温度，只要铸型强度足够（gòu）抵抗铁液（yè）的（de）静（jìng）压力，浇注温度可（kě）以高一些。通过铁液（yè）加热（rè）铸型减少共晶凝固时的过冷度，使石墨化有（yǒu）充（chōng）足的时（shí）间进行（háng）。不过，浇注速（sù）度要尽可能地（dì）快，以尽量减（jiǎn）少型内铁（tiě）液（yè）的温（wēn）度差。

2.3冷铁

根据笔者使用冷铁的（de）经（jīng）验及利用以（yǐ）上理（lǐ）论分析，冷铁能够消除缩孔缺陷的说法并（bìng）不确切。一方（fāng）面（miàn），局部（bù）使用（yòng）冷铁（如打孔部位（wèi）），只能使缩孔转（zhuǎn）移而不是消除（chú）缩孔；另一方面，大面积地使用冷铁而（ér）获得了减少（shǎo）补缩或无（wú）冒口的效果，只是无（wú）意识地增加（jiā）了铸型强（qiáng）度而不是冷铁减少了液（yè）体（tǐ）或（huò）共晶凝固（gù）收缩。事实上，如果（guǒ）冷铁（tiě）使用过（guò）多，影响了（le）石墨（mò）球的长（zhǎng）大及（jí）石墨化的程度（dù），相反会（huì）加剧收（shōu）缩。

2.4铸型强度和刚度

由于球铁（tiě）大都选择共晶或（huò）过共晶成（chéng）分，铁液在（zài）铸型（xíng）中（zhōng）冷（lěng）却（què）至共晶温（wēn）度所（suǒ）经（jīng）过的时间较长，也就是铸型所承受的（de）铁（tiě）液静压力的（de）时间要比（bǐ）亚共晶（jīng）成分的灰铸铁要（yào）长，铸（zhù）型也（yě）就（jiù）更容易（yì）产（chǎn）生压缩性变形（xíng）。当石墨（mò）化膨胀引起的体积（jī）增加不能抵消液（yè）体收缩+凝固收缩（suō）+铸（zhù）型变（biàn）形体积时（shí），产生缩孔也（yě）就在（zài）所难免。所以，足够（gòu）的铸型刚度及（jí）抗（kàng）压强度是实现无冒口铸造的重（chóng）要条件，有许多覆砂铁型铸造工艺实现无冒口铸造既是（shì）这一理论的证明。

2.5孕育处理

强效孕育剂及瞬时延后孕育工艺（yì）既能给（gěi）予（yǔ）铁液大量的（de）核心质点，又能防止孕育衰退，能（néng）够保（bǎo）证球墨铸（zhù）铁（tiě）在共（gòng）晶凝固时有足够的石墨球数；多而小的石墨（mò）球减少了液体中的C向石墨核心转移的距离，加快了石墨（mò）化（huà）速度，短时（shí）内（nèi）大量（liàng）的共晶凝固又能释（shì）放出较多（duō）的结晶潜（qián）热，减少了过冷度，既（jì）能防止白口的产生，又能（néng）加强石墨化膨胀。因而（ér）。强效孕育对提高球（qiú）墨铸铁的自补缩能（néng）力至关重要。

2.6铁液（yè）过滤

铁液经过过滤，滤（lǜ）除（chú）了部分氧化夹杂，使铁液的微（wēi）观流动性增强，可以（yǐ）降低微观缩孔的产生几率。

2.7铸件（jiàn）模数（shù）

由于（yú）铸态珠光体球铁需要加入阻（zǔ）碍石墨（mò）化（huà）的元素（sù），这会影响（xiǎng）石墨化程度（dù），对铸件实现自补缩目的有一定影响，所以有资（zī）料介绍（shào），无（wú）冒口铸造适用于牌号在QT500以下的球（qiú）墨（mò）铸铁。除此（cǐ）之外，由铸（zhù）件（jiàn）的形状尺（chǐ）寸所（suǒ）决（jué）定的模数（shù）应在3.1cm以上。

值得注意的（de）是，厚度＜50mm的（de）板类铸件实现（xiàn）无冒口铸造是困难的。

也有资料介绍，对QT500以上的球墨铸铁实现无冒（mào）口（kǒu）铸造工（gōng）艺的（de）条件是其模数应大于3.6cm。

3.应用实例介（jiè）绍

3.1大模数铸件（jiàn）无冒口铸造工艺实例

材料牌号为GGG70的风电增（zēng）速器行星支（zhī）架铸件（jiàn），重量为3300kg，轮廓尺寸为φ1260×1220mm，铸件模数约为5.0cm。铸件成分（fèn）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（jiāo）注温（wēn）度（dù）为1370~1380℃

考虑到铁（tiě）液对铸型（xíng）下部的压力较大，容易使铸型下部产生压缩（suō）变形，所以客户推（tuī）荐将冷铁主（zhǔ）要集中放置（zhì）在下部（如图1）。根据以往的经验，开始（shǐ）试制时，我们决定使用无冒口（kǒu）铸（zhù）造工艺，也（yě）就是图（tú）1去掉冒口的（de）工（gōng）艺。虽然（rán）客户请***人员对所试制铸件（jiàn）做超声探伤并未发现有内部缺陷，解（jiě）剖结果也（yě）未（wèi）发（fā）现缩孔缺陷。但对照其它相关（guān）资料及客（kè）户（hù）提供的参（cān）考工艺，我们对（duì）这么重要（yào）的铸件（jiàn）批量生产后一（yī）旦（dàn）发生缩孔缺陷的（de）后果甚为（wéi）担（dān）心，所以对图（tú）1工艺进行了凝固模拟试验，模拟结果如图（tú）2。

图1 推（tuī）荐（jiàn）的冒口补缩工艺

图2 根（gēn）据（jù）图（tú）1工艺的（de）模拟结果

从模拟结果可见（jiàn），液态收缩已经将包括内部的3个（gè）Φ140×170mm圆（yuán）形发热保温（wēn）冒口及外（wài）侧的3个320×200×320mm腰圆形发热保（bǎo）温冒（mào）口内的铁液全部用（yòng）尽；因而（ér），我们在原有320×200×320mm发热（rè）保温冒口（kǒu）的上面再加（jiā）上1个同等大（dà）小的冒口，即将冒口尺寸改为（wéi）320×200×640mm。但是，浇铸后的结果却是所有冒口一点收缩的痕（hén）迹也没有，从（cóng）而证实了（le）这（zhè）个铸件完全可以实（shí）现无冒口铸（zhù）造。

3.2小模数（shù）铸件有（yǒu）冒（mào）口铸（zhù）造实例

图3所示（shì）的蜂（fēng）窝板材（cái）料（liào）牌号为QT500-7，长（zhǎng）×宽×高尺寸为1 230×860×32 mm，铸（zhù）件模（mó）数M=3.2/2=1.6 cm。

图3 蜂窝板毛坯图

此铸件模数远小于3.1cm，显然不适用于无冒口铸造工艺，但（dàn）试制时为了提高工艺（yì）出（chū）品（pǐn）率，采（cǎi）用了立浇雨淋式浇口（图4），原意是想使铸件在凝固（gù）时（shí）产生（shēng）自（zì）上而（ér）下的温（wēn）度梯度（dù），以利用横浇口补缩，但结（jié）果却是（shì）在铸件的中间部位加工后产生了大面积连（lián）通性（xìng）缩孔（图4中（zhōng）双点划线处）。试制4件无一件成品（pǐn）。

图4 试制工艺方案示意图

于（yú）是，我们改变思路，制定了（le）如图5所示（shì）的卧浇（jiāo）、冷（lěng）铁加冒口工艺。用冷铁将（jiāng）铸件分（fèn）割成9部分，每（měi）部分的中央放置冒口。改进后的工艺（yì）出品（pǐn）率大（dà）于75%，产品（pǐn）质量稳定，废品率在2.0%以下，由于（yú）原（yuán）材料和工艺都（dōu）较（jiào）稳定，加工后几乎没有废品。

图（tú）5 改进后（hòu）的（de）成（chéng）熟（shú）工艺（yì）