球墨铸铁的凝固特性和铸件冒口的设置
冒口设计参考
冒口设计第一节冒口的种类及补缩原理冒口(riser，feeder head)是铸型内用以储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用。
习惯上把冒口所铸成的金属实体也称为冒口。
1.冒口的种类>>1.通用冒口(传统)>>1.普通冒口>>1.依位置分类>>1.顶冒口2.顶冒口2.依顶部覆盖分类>>1.顶冒口2.顶冒口2.特种冒口>>1.依加压方式分>>1.大气压力冒口2.压缩空气冒口3.发气压力冒口2.依加热方式分>>1.保温冒口2.发热冒口3.加氧冒口4.电孤加热冒口、煤气加热冒口3.易割冒口2.铸铁件的实用冒口(均衡凝固)>>1.直接实用冒口(浇注系统当冒口)2.控制压力冒口3.冒口无补缩2.冒口形状冒口的形状有圆柱形、球顶圆柱形、长(腰)圆柱形、球形及扁球形等多种3.通用冒口补缩原理>>1.基本条件>>1.冒口凝固时间大于或等于铸件(被补缩部分)的凝固时间2.有足够的金属液补充铸件的液态收缩和凝固收缩，补偿浇注后型腔扩大的体积3.在凝固期间，冒口和被补缩部位之间存在补缩通道，扩张角向着冒口2.选择冒口位置的原则>>1.冒口应就近设在铸件热节(hotspot)的上方或侧旁2.冒口应尽量设在铸件最高、最厚的部位。
对低处的热节增设补贴或使用冷铁，造成补缩的有利条件3.冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位，以防组织粗大降低强度4.冒口位置不要选在铸造应力集中处，应注意减轻对铸件的收缩阻碍，以免引起裂纹5.尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件6.冒口布置在加工面上，可节约铸件精整工时，零件外观好7.不同高度上的冒口，应用冷铁使各个冒口的补缩范围隔开3.冒口有效补缩距离的确定>>冒口的有效补缩距离为冒口作用区与末端区长度之和，它是确定冒口数目的依据，与铸件结构、合金成分及凝固特性、冷却条件、对铸件质量要求的高低等多种因素有关，简称为冒口补缩距离1.铸钢件冒口的补缩距离有色合金的冒口补缩距离外冷铁的影响补贴(padding)的应用第二节铸钢件冒口的设计与计算铸钢件冒口属于通用冒口，其计算原理适用于实行顺序凝固的一切合金铸件。
铸件冒口设计的原则及方法
图 ４ 冒口放在两热节之间的工艺对比
放在最后凝固的部位和几何热节处，形成 的接触热节和冒口补缩液流通效应的影 响，会使冒口安放处铸件的凝固时间延长， 相应增加对冒口补缩时间的要求，同时也 对热节处的内在质量产生不利的影响。为 此，文献［４］提出了动态顺序凝固的概念。 动态顺序凝固是指冒口离开热节，放在近 热节处，利用冒口根处形成的接触热节和 冒口补缩液的流通效应，实现铸件各部分 朝向冒口的顺序凝固。其实质是使铸件的 几何热节与设置冒口形成的接触热节相分 离，并控制次热节处所形成的接触热节，使 其凝固模数比几何热节的大，比冒口的小， 将凝固顺序由薄壁→次热节→几何热节→ 几何热节处的接触热节→冒口，改变为薄 壁→几何热节→次热节处的接触热节→冒 口，既避免了接触热节处热量过分集中，又 利用接触热节的热效应，在冒口和几何热 节之间形成补缩通道，保证冒口对几何热 节的补缩。
采用模数法计算出的冒口体积，应该
用补缩液量法进行校核，即冒口体积 V 应 r
满足式（１）。
３．２ 热节圆比例法
热节圆比例法是一种经验性方法。采
用作图法或几何公式计算出热节圆直径 T， 然后根据铸件不同截面形状确定例系数α的数值多来源于工程实
科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
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科技创新导报 ２００８ ＮＯ．２７ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
工 程 技 术
图 ５ 冒口直径与铸件厚度热节圆直径的 关系
使膨胀压力得以控制，避免铸型扩大，一般
铸件凝固过程中，冒口液面不断下降， 体积减少，散热表面积增加，冒口模数动态
变小；铸件获得补缩液体后热量增加，凝固
铸铁件冒口设计手册
铸铁件冒口设计手册诸葛胜福士科铸造材料（中国）有限公司铸铁冒口设计手册一、概述冒口是一个个储存金属液的空腔。
其主要作用是在铸件成形过程中提供由于体积变化所需要补偿的金属液，以防止在铸件中出现的收缩类型缺陷（如图1和图2所示），而这些需要补偿的体积变化可能有：图1 各种缩孔图2 缩孔生产图a)和冒口的补缩图b)1—一次缩孔 2—二次缩孔 3—缩松 1—缩孔 2—型腔胀大 3—铸件(虚线以内) 4—显微缩松 5—缩陷（缩凹，外缩孔）（1）铸型的胀大（2）金属的液态收缩（3）金属的凝固收缩补偿这些体积变化所需要的金属液量随着铸型和金属种类的不同而异。
此外，冒口还有排气及浮渣和非金属夹杂物的作用。
铸件制成后，冒口部分（残留在铸件上的凸块）将从铸件上除去。
由此，在保证铸件质量要求的前提下，冒口应尽可能的小些，以节省金属液，提高铸件成品率。
由此冒口的补缩效率越高，冒口将越小，铸件成品率越高、越经济。
FOSECO公司的发热保温冒口具有高达35%的补缩效率；因而，具有极高的成品率和极其优越的经济性。
在金属炉料价格飞涨的情况下，其优越性显得尤其突出。
另外，高品质发热保温冒口，及其稳定可靠的产品质量是获得高品质铸件的重要手段和可靠的质量保证。
二、铸铁的特点铸钢和铸铁都是铁碳合金，它们在凝固收缩过程中有共同之处）如凝固前期均析出初生奥氏体树枝晶，都存在着液态、凝固态和固态下的收缩），但也有不同的特点。
其根本不同之处是铸铁在凝固后期有“奥氏体+石墨”的共晶转变，析出石墨而发生体积膨胀，从而可部分地或全部抵消凝固前期所发生的体积收缩，即，具备有“自补缩的能力”。
因此在铸型刚性足够大时，铸铁件可以不设冒口或采用较小的冒口进行补缩。
灰铸铁在共晶转变过程中析出石墨，并在与枝晶间的液体直接接触的尖端优先长大，其石墨长大时所产生的体积膨胀直接作用在晶间液体上，进行“自补缩”。
对于一般低牌号的灰铁铸件，因碳硅含量高，石墨化比较完全，其体积膨胀量足以补偿凝固时的体收缩，故不需要设置冒口，只放排气口。
球墨铸铁浇冒口系统设计的关键 (一)
球磨铸铁浇冒口设计的关键第一部分浇流道系统设计1.0浇流道系统设计1.1要求快速浇铸：使充型过程中温度损失最小使冶金学性能衰减最小使氧化物最少清洁浇铸：避免浇铸过程中产生炉渣（浮渣）设计的经济性：使铸件产量最大化1.2关键组成：所示的所有组成部分要求炉渣缺陷最小化1.3规划考虑设计基本设计：优化对铸件的空间利用；冒口设计方法的选择；设置分型面以最小化对模芯的需求；铸件设置在上模中；平稳填充；简单对称的设计系统；同一铸件使用相同的浇冒口；可能的话，在多个铸件上使用一个冒口；在分型面上给浇冒口系统留下足够的空间；具体设计如下：1.4阻流阀的作用定义：阻流阀是浇道系统中一块横截面积，它决定充型时间有两个正确的位置设置阻流阀，因此有两个基本的浇道系统：在简单的浇注系统中，1）阻流阀位于流道和浇口的连接处。
2）阻流阀位于直浇道与横浇道的连接处。
1.5 选择浇流系统类型在浇口-横浇道系统中，铸件分别被一个或多个阻流阀或浇口阻挡。
在直浇道-横浇道系统中，很可能几个铸件共用一个阻流阀。
使用直浇道-横浇道系统在一个模具里生产大量小型件，这是不切实际的对每个铸件分别设置阻流阀（阻流阀尺寸非常小），极大的依赖于模具技术及浇注温度大部分情况下是使用浇口-横浇道系统浇口-横浇道系统与直浇道-横浇道系统特点的结合形成混合系统。
这通常用在要求运输铁水到复杂的铸件型腔的流道系统中。
1.6摩擦并非直浇道顶部所有铁水的潜能都可以转换为铸造型腔中的机械能随着铁水与型腔内壁的撞击和铁水之间的撞击，一些潜能损失在摩擦上由于摩擦造成的损失，延长了模型填充时间，必须考虑何时计算阻流阀截面积和浇铸时间。
选择fr，摩擦损失因子，作为能量损失的估计值对于薄壁平板：fr—0.2对于厚重立方体：fr---0.81.7浇铸时间尽可能快的符合人们的能力及生产例程推荐的浇注时间：非常近似的指导，铸件质量+冒口质量1.8阻流阀的横截面积对总的浇铸质量选择最快的实际浇铸时间（t,sec.）选择合适的fr值确定总的浇铸体积/阻气阀（V）V是所有铸件及冒口，特定阻流阀的下游之和体积=质量/密度液态铸铁，密度=0.25磅/立方英尺或0.007KG/cm3Determine effective ferrostatic head in sprue (H.)确定铸件在上模中的高度（b.）根据Torricelli，铁水在阻流阀的流速当铸件完全处在下模，当铸件完全位于上模，当铸件位于上模和下模中，可以从下面的图谱中，选择合适的Ac图谱数据基于平均上模高度（依铸造不同而变化）。
球墨铸铁件冒口设计
2．控制压力冒口（又称释压冒口）
特点：利用部分共晶膨胀量来补偿铸件的凝固收缩 浇注结束，冒口补给铸件的冒口以释放“压力”
应用合理的冒口颈尺寸或一定的暗冒口容积控制回 填程度使铸件内建立适中的内压来克服凝固收缩， 从而获得既无缩孔、缩松又能避免胀大变形的铸件
M颈M冒 （㎝）
图4-40 M冒和M件的关系图 1—冶金质量差 2—冶金质量好
图4-41 需要补缩金属液量和铸件模数的关系 VT—设置冒口部位铸件或热节体积 VC—铸件需补缩体积
（2）冒口的补缩距离 指由凝固部位向冒口
输送回填铁液的距离 与铁水的冶金质量和
铸件的模数密切相关
图4-42 铁液输送距离和冶金质量及铸件模数的关系 1—冶金质量好 2—冶金质量中等 3—冶金质量很差
口体积，只有这部分金属液才能对铸件起补缩作用
冒口有效体积依铸件液态 收缩体积而定，一般比铸件 所需补缩的铁液量大
共晶成分的铸铁，冒口有 效体积取铸件体积的5%
碳当量低的铸件，冒口有 效体积取铸件体积的6%
图4-36 铸铁的ε—t浇曲线 ε—液态体收缩率 t浇—浇注温度
1—CE=4.3% 2—CE=3.6%
冒口颈模数M颈的确定：
M颈t浇 t浇 1111550cl0M件(cm )
式中 M颈 ——冒口颈模数（cm） M件——设置冒口部位的铸件模数（cm） t浇——浇注温度（℃） c ——铁液比热容，c与铁液温度有关，在 1150～1350℃范围内，c为835～963 J/(kg·℃) l ——铸铁结晶潜热为（193～247）×103J/kg
实用冒口的工艺出品率高，铸件质量好，更实用
原理：利用冒口来补缩铸件的液态收缩，而当液态收缩
冒口有效体积依铸件液态收缩体积而定，一般比铸件所需补缩的铁液量大
球墨铸铁冷铁应用原则
球墨铸铁冷铁应用原则
球墨铸铁冷铁的应用原则主要包括以下几点：
与冒口配合使用，形成人为末端区，扩大冒口作用区域，减少冒口的体积，提高工艺出品率。
在铸件壁厚变化较大的部位设置冷铁，使凝固速度趋于均一，消除局部的热应力，减少裂纹的出现。
提高冷铁附近的冷速，细化周围晶粒，改善基体组织与性能。
此外，冷铁按照放置位置可以分为外冷铁和内冷铁。
外冷铁放置在铸件表面或铸型之中，与铸件直接或间接接触，常用的材料有铸钢、铸铁、石墨、铜和碳化硅等。
外冷铁依照与铸件之间的介质不同可以分为无气隙外冷铁、有气隙外冷铁和间接外冷铁。
间接外冷铁与铸件有挂砂相隔，一般用于较厚的铸件，避免因直接与冷铁接触而产生皱皮或裂纹。
内冷铁放置在型腔内，形状有块状、棒状和螺旋状几种类型，一般采用铸件本体材料。
根据内冷铁表层与钢液的熔融情况，可分为熔合内冷铁和不熔合内冷铁，熔合内冷铁温升高于合金固相线温度，不熔合内冷铁温升小于或等于固相线温度。
球墨铸铁冒口形状及位置ppt实用资料
球墨铸铁铸件生产技术课程
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观
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球墨铸铁冒口形状及位置
制作人：贺生明 榆林职业技术学院
球墨铸球铁墨铸铸铁件铸生件产生产技技术术课课程程
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一、冒口的形状
降低冒口的散热速度， 延长冒口的凝固时间，应 该尽量减少冒口的表面积。 实际生产中应用得最多的 是圆柱形、球顶圆柱形、 腰圆柱形冒口，如图1。
h冒1口h2应h尽3--可分5能别.放表冒在示铸缩口件孔的深应加度工尽面上可，以能减少放精整在铸件铸的工件时。的加工面上，以减少精整铸件
图3 不同高度冒口的隔离
的工时。 冒口位置不合理，不但不能消除缩孔和缩松，还可能引起其他缺陷（如裂纹、变形、应力等）。
图4 一个冒口补缩几个热节 图2 钢锭纵剖面形状对缩孔深度的影响示意图 当铸件不同高度上的热节需要补缩时，可以分别设置冒口，但各冒口的补缩区域应采用冷铁予以区分，如图4所示，以防高位冒口在补 缩铸件的同时还要对低位冒口进行补缩，致使高位的铸件出现缩孔缩松。 1-顶明冒口 2-铸件 3-侧暗冒口 4-外冷铁
铁予以区分，如图4所示，以防
高位冒口在补缩铸件的同时还 要对低位冒口进行补缩，致使
图3 不同高度冒口的隔离 1-顶明冒口 2-铸件 3-侧暗冒口 4-外冷铁
高位的铸件出现缩孔缩松。
球墨铸铁浇口和冒口
球墨铸铁浇口和冒口的应用罗通 全国铸造委员会消失模与V法铸造技术委员会浇注系统的基本功能跟冒口系统是根本的区别。
前者的目的是让铁水充满型腔，而同时把渣撇掉。
冒口系统的目的是提供无缺陷的铸件没改缺陷可能是由于石墨铸铁进行凝固与冷却时期产生的体积变化而引起的。
1.在有些时候，浇注系统能引起冒口的作用。
（即能补偿冷却期间的体积变化）。
2.内浇道位置影响着刚浇完的铸件内部的温度分布。
温度分布又影响着凝固与冷却的型式。
3.假如设计要求冒口保持液体的时间尽可能的长，那么最好是把铁水引入冒口并经过冒口（热冒口）充满整个型腔。
（1）.冒口和铸件的连接处能更长时间的保持液态。
（2）.冒口得到的最热的铁水，这样的设计通常是限于侧冒口，另一方面，中大型铸件上的顶冒口也由于热流水输送到顶部，而把较冷的铁水输送到底部（3）. 内浇道总的横截面面积通常是控制浇注期间的温度损失。
4.冒口也受到影响，因为浇注完了的液体温度比起浇注温度本身更为重要地影响到冒口系统的设置。
冒口位置影响浇口设计，尤其是在通过冒口（热的）引入铁水时更是这样。
消失模最常见的错误时省去内浇道而直接把铁水引入铸件或冒口，即使将横浇道通到铸件或冒口处的横截面面积减少，应该强烈反对这样的实践。
推荐两种做的理由是在横浇道中的铁水要直流，而且在经过内浇道时也要这样流，由于弯曲而引起紊流，这就很容易造成一些初期的含渣较多的铁水进入内浇道。
横浇道末端下部设置一个凹坑，此方案是很好的经验，当没有足够的地方供横浇道延长时尤为优越.内浇道之间的距离越大,(放在横浇道下的内浇道)以及横浇道顶部越高, 则该系统越安全,因渣子的比重比铁水小并倾向于上浮, 在冲型初期的紊流.115内浇道应是薄而宽, 厚宽比为1;4,为防止浇注期间内浇道凝固, 要使拨模斜度尽可小.横浇道应是高而窄. 高与宽比约为2;1.两个薄且窄的内浇道比既厚又宽的内浇道为好,内浇道长度可按布置要求设计, 它们输送是无渣的铁水,当然形状弯曲的布置也是允许的, 设计内浇道长度等于其宽度.当浇注系统被充满直浇道中的渣粒向下移动而进入铸件内的唯一可能性，措施是直浇道与第一个内浇道之间的距离尽可能大,(但这不是靠减少最后一个内浇道到横浇道末端的长度来实现) 假如位置是足够, 该距离等于横浇道的延长距离。
球墨铸铁的铸造性能与铸造工艺特点
球墨铸铁的铸造性能与铸造工艺特点因为碳硅含量较高，球墨铸铁与灰铸铁一样具有良好的活动性和自补缩能力。
但是因为炉前处理工艺及凝固过程的不同，球墨铸铁与灰铸铁相比在铸造机能上又有很大的差别，因而其铸造工艺也不尽相同。
一、球墨铸铁的活动性与浇注工艺球化处理过程中球化剂的加入，一方面使铁液的温度降低，另一方面镁、稀土等元素在浇包及浇注系统中形成夹渣。
因此，经由球化处理后铁液的活动性下降。
同时，假如这些夹渣进入型腔，将会造成夹杂、针孔、铸件表面粗拙等锻造缺陷。
为解决上述问题，球墨铸铁在铸造工艺上须留意以下问题:(1)一定要将浇包中铁液表面的浮渣扒干净，•最好使用茶壶嘴浇包。
(2)严格控制镁的残留量，最好在0.06%以下。
(3)浇注系统要有足够的尺寸，以保证铁液能做尽快布满型腔，并尽可能不泛起紊流。
(4)采用半封锁式浇注系统，根据美国锻造学会推荐的数据，直浇道、横浇道与内浇道的比例为4:8:3。
5)内浇口尽可能开在铸型的底部。
((6)假如在浇注系统中安放过滤网会有助于排除夹渣。
(7) 适当进步浇注温度以进步铁液的充型能力并避免泛起碳化物。
对于用稀土处理的铁液，其浇注温度可参阅我国有关手册。
对于用镁处理的铁液，根据美国锻造学会推荐的数据，当铸件壁厚为25mm时，浇注温度不低于1315?;当铸件壁厚为6mm时,浇注温度不低于1425?。
二、球墨铸铁的凝固特性与补缩工艺特点球墨铸铁与灰铸铁相比在凝固特性上有很大的不同，主要表现在以下方面:(1)球墨铸铁的共晶凝固范围较宽。
灰铸铁共晶凝固时，片状石墨的端部始终与铁液接触，因而共晶凝固过程进行较快。
球墨铸铁因为石墨球在长大后期被奥氏体壳包抄，其长大需要通过碳原子的扩散进行，因而凝固过程进行较慢，以至于要求在更大的过冷度下通过在新的石墨异质核心上形成新的石墨晶核来维持共晶凝固的进行。
因此，球墨铸铁在凝固过程中在断面上存在较宽的液固共存区域，其凝固方式具有粥状凝固的特性。
球铁件冒口设计热节圆发热节圆法
球铁件冒口设计热节圆发热节圆法1. 引言球铁件是一种常见的金属制品，广泛应用于汽车、机械、航空航天等领域。
在球铁件的制造过程中，冒口设计是非常重要的一步。
冒口的设计合理与否直接影响到产品质量和生产效率。
本文将介绍球铁件冒口设计中的热节圆发热节圆法。
2. 球铁件冒口设计概述在球铁件的生产过程中，为了排除气体和杂质，并使金属液顺利注入模型腔内，需要设置冒口。
冒口的位置、形状和尺寸都需要经过合理的设计才能满足产品质量要求。
3. 热节圆发热节圆法原理热节圆发热节圆法是一种常用的球铁件冒口设计方法。
其基本原理是根据金属液凝固时产生的收缩缺陷特点，在模型腔壁上设置一个或多个具有收缩作用的发热节圆，通过这些发热节圆来控制金属液的凝固过程，以达到优化冒口设计的目的。
4. 热节圆发热节圆法步骤热节圆发热节圆法的具体步骤如下：步骤一：确定冒口位置根据球铁件的形状和结构特点，确定合适的冒口位置。
通常情况下，冒口应设置在球铁件上部或侧面。
步骤二：计算冒口尺寸根据球铁件的体积和凝固收缩率等参数，计算出合适的冒口尺寸。
一般来说，冒口尺寸应足够大，以确保金属液能够顺利注入模型腔内，并能在凝固过程中提供足够的液态金属供给。
步骤三：设置发热节圆在模型腔壁上设置一个或多个具有收缩作用的发热节圆。
发热节圆通常由耐火材料制成，其直径和数量根据球铁件的大小和形状进行确定。
这些发热节圆会在凝固过程中产生热量，通过控制金属液的凝固速度和收缩方向，优化冒口设计。
步骤四：模拟凝固过程利用数值模拟或实验方法，模拟球铁件的凝固过程。
通过观察和分析凝固过程中的温度场、凝固收缩等参数变化，评估冒口设计的合理性，并进行必要的调整。
步骤五：验证冒口设计根据实际生产情况，制作样品进行试验验证。
通过对试验样品的质量检测和分析，评估冒口设计的效果，并对冒口位置、形状和尺寸进行进一步优化。
5. 热节圆发热节圆法的优势与传统的直线型、斜线型等冒口设计方法相比，热节圆发热节圆法具有以下优势：•收缩控制：通过设置发热节圆，可以有效控制金属液在凝固过程中产生的收缩缺陷，提高产品质量。
3.4.3及3.4.4 铸钢及铸铁件冒口设计
3.4.3 铸钢件冒口设计与计算
四、铸件模数的计算
1. 正立方体
2. 圆柱体
3. 具有“无限大”尺寸的物
体 4. 圆筒壁 5. 交接立方体
3.4.3 铸钢件冒口设计与计算
四、铸件模数的计算
4. 圆筒壁
5. 交接立方体
6. 冒口颈的模数（riser neck）
铸钢件：Mn＞Mc 铸铁件：Mn＜Mc
选择圆柱形冒口，由标准冒口表查得冒口尺寸：
D=160mm，H=24mm 校核冒口个数： 估计冒口个数1000/（D+4.5a×2）≈1.6 ≈2 按两个冒口校核长度方向 4.5×50+4×50+4.5×50+2×160=970＜1000
增加一个冒口，按三个冒口校核 970+160+4×50=1330＞1000 宽度方向校核
4.5×50×2+160=610 ＞600
校核冒口最大补缩能力：
εv（Vr+Vc）=5%（100×60×5+π（16/2）2 ×24×3）
=2223（cm3）
Vrη=15 %π（16/2）2 ×24×3=2170 （cm3）
增大冒口尺寸，D=180mm
εv（Vr+Vc） = 2415 cm3 ＜Vrη=2746 cm3
有先有后，相互交错重叠，而铁水是相通的，这时膨胀、 收缩就可以叠加相抵，铸件表现出来的收缩实质上是胀缩 相抵的剩余量。然而就某一点而言，是收缩在前，膨胀在 后，二者是不能相抵的。
3.4.4 铸铁件实用冒口设计
图3-3-24 铸铁件凝固时收缩和膨胀的叠加 曲边三角形ABC—铸件的总收缩 曲边三角形ADC —铸件总膨胀 曲边三角形AB‘P—铸件的表观收缩 AC—铸件凝固时间 AP—铸件表观收缩时间 （冒口作用时间） P—均衡点（收缩量等于膨胀量的时间）
球铁铸件缩孔、缩松的成因与防止
球铁铸件缩孔、缩松的成因与防止球铁铸件缩孔、缩松的成因与防止摘要：球墨铸铁大多数是共晶或过共晶成分，其糊状凝固方式使铸件外壳没有抵抗石墨化膨胀能力，因而铸型产生型壁迁移，增大铸件体积，极易产生内部缩孔、缩松。
球墨铸铁凝固时，在枝晶和共晶团间的最后凝固区域，收缩的体积得不到完全补充，留下的空洞形成宏观及微观缩松。
La 有助于消除缩松倾向。
分析缩孔缩松形成原因并提出相应的防止办法，有助于减少由此产生的废品损失。
关键词：球墨铸铁、收缩、缩孔、缩松1 前言1.1 缺陷形成原因球墨铸铁生产技术日臻完善，多年技术服务的实践表明，生产中出现的铸造缺陷，完全可以用成熟的经验予以消除。
据介绍：工业发达国家的铸造废品率可以控制在1%以下[1]，国内先进水平也在2%左右，提高企业铸造技术水平，对减少废品十分重要。
1。
显微缩松显微镜观察微细连续缺失空间多角形疏松枝晶间、共晶团边界间众所周知，灰铸铁是逐层凝固方式，球墨铸铁是糊状凝固方式。
逐层凝固可以使铸件凝固时形成一个坚实的封闭外壳，铸件全封闭外壳的体积收缩可以减小壳体内的缩孔容积。
糊状凝固的特点是金属凝固时晶粒在金属液内部整个容积内形核、生长，固相与液相混合存在有如粥糊。
大多数球墨铸铁是共晶或过共晶成分，其糊状凝固方式使铸件外壳没有抵抗石墨化膨胀的能力，铸型产生型壁迁移，增大铸件体积，极易产生内部缩孔、缩松缺陷。
铸型冷却能力强，有利于铸件的容积凝固转变成逐层凝固，使铸件的分散缩松转变成集中缩孔。
然而，批量生产中湿砂型铸造很难被金属型或干砂型取代。
球墨铸铁凝固有以下三个特点，决定球墨铸铁是糊状凝固方式：①球化和孕育处理显著增加异质核心，核心存在于整个熔体，有利于全截面同时结晶。
②石墨球在奥氏体壳包围下生长，生长速度慢，延缓铸件表层形成坚实外壳；而片状石墨的端部始终与铁液接触，生长速度快，凝固时间短，促使灰铁铸件快速形成坚实外壳。
③球墨铸铁比灰铸铁导热率小 20%-30%，散热慢，外壳生长速度降低[3]。
球墨铸铁件实现无冒口铸造的条件
球墨铸铁件实现无冒口铸造的条件由球墨铸铁的凝固特点认为球铁件易于出现缩孔缩松缺陷，因而其实现无冒口铸造较为困难。
阐述了实现球铁件无冒口铸造工艺所应具备的铁液成份、浇注温度、冷铁工艺、铸型强度和刚度、孕育处理、铁液过滤和铸件模数等条件，用大模数铸件和小模数铸件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与灰铸铁的凝固方式不同是由球墨与片墨生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，石墨片的两侧处在奥氏体的包围下从奥氏体中吸收石墨而变厚，石墨片的先端在液体中吸收石墨而生长。
在球墨铸铁中，由于石墨呈球状，石墨球析出后就开始向周围吸收石墨，周围的液体因为w（C）量降低而变为固态的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，从奥氏体中只能吸收的碳较为有限，而液体中的碳通过固体向石墨球扩散的速度很慢，被奥氏体包围又限制了它的长大；所以，即使球墨铸铁的碳当量比灰铸铁高很多，球铁的石墨化却比较困难，因而也就没有足够的石墨化膨胀来抵消凝固收缩；因此，球墨铸铁容易产生缩孔。
另外，包裹石墨球的奥氏体层厚度一般是石墨球径的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至石墨球的难度也越大。
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凝固方式。
如上所述，由于球墨铸铁石墨化困难，没有足够的由石墨化产生的结晶潜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，球墨铸铁孕育衰退快，也是极易发生过冷的因素之一。
2 球墨铸铁无冒口铸造的条件从球墨铸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。
笔者根据自己多年的生产实践经验，对球墨铸铁实现无冒口铸造工艺所需具备的条件作了一些归纳总结，在此与同行分享。
2.1 铁液成分的选择2.1.1 碳当量（CE）在同等条件下，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，石墨的生长速度也变快，所以使铁液在共晶前就产生初生石墨对促进共晶凝固石墨化是非常有利的。
球墨铸铁的凝固特点.pptx.pptx
图4 球墨铸铁、灰铸铁、 铸钢凝固状态的比较
（a)球墨铸铁C 2.96% Si l.93% Mg 0.06% （b)灰铸铁C 3.21% Si 2.28%
（c)铸钢 C 0.20% Mn 0.60% Si 0.40%
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三、凝固膨胀压力大
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球墨铸铁的导热系数比灰
铸铁小20%~40%，因此散热慢，使
得壳的生长慢。
由于石墨长大的速度慢，共晶凝
固时间长。所以一个铸件总的凝固时
间也长。从图3能明显看出球墨铸铁
共晶凝固时间比灰铸铁长。
图3 灰铸铁、球墨铸铁的冷却曲线比较
（采用相同成分的球形试样 ）
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二、“糊状”凝固
如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温度分布较 为平坦，则在凝固的某段时间内，铸件表面并不存在固体 层，而液、固并存的凝固区贯穿整个断面。由于这种凝固 方式与水泥类似，即先呈糊状而后固化的现象叫做“糊状” 凝固。
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影响铸件内部压力的因素：化学成分、孕育效果、浇注温 度、铸型刚度、冷铁、内浇口和冒口颈的凝固时间等。
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从球墨铸铁和灰铸铁压力变化曲线图6所示，能看出两 者的区别。因为球墨铸铁的初期凝固层薄，壳的强度又低， 所以初期膨胀压力比灰铸铁小，同时壳易变形有可能损失一 部分压力。因此球墨铸铁的初始膨胀压力小。球墨铸铁含碳 量高，使液体收缩系数比灰铸铁大，故一次收缩压降比灰铸 铁大，易产生负压区。
考虑铸型强度的球墨铸铁件冒口设计方法
考虑铸型强度的球墨铸铁件冒口设计方法1 引言球墨铸铁件在凝固过程中的共晶石墨析出会产生膨胀力，又因为糊状凝固特性导致铸件在凝固初期难以形成坚硬外壳[1~4]，此时凝固产生的膨胀压力便会作用于铸型。
当铸型强度不够好时，会产生胀型，使铸件收缩增大，当铸型强度比较好时，膨胀压力作用于铸件本身实现自补缩，收缩量减小，因此球墨铸铁件的冒口设计不同于铸钢件，需要综合考虑铸型强度、铸件结构等多种复杂因素[5,6]；并且目前球墨铸铁件结构越来越复杂，铸件热节分析比较困难，冒口的位置难以确定，因此设计复杂球墨铸铁件的冒口比较困难。
目前应用于球墨铸铁件的冒口设计方法主要有收缩模数法[7]、实用冒口法[8]和通用冒口法。
基于几何的冒口优化方法[9~14]，虽然能对冒口大小设计进行优化，但没有考虑合金材质，对球墨铸铁件不一定适用。
收缩模数法设计冒口的原理是均衡凝固技术，将铸件作为一个整体，由于每个部分的凝固速度都不一样，发生收缩和体积膨胀的时间也不相同，通过将所有单元在同一个时刻的收缩和体积膨胀叠加，可以得到整个铸件体积随时间的变化规律，将收缩和膨胀动态叠加和为零时，对应的时间为收缩时间，该时间对应的模数称为铸件收缩模数，在此时间之后，收缩和膨胀动态叠加和大于零，因此，冒口设计充分利用自补缩效果，仅提供收缩时间之前的液态收缩量。
球墨铸铁整个凝固过程中体积随温度变化可以分为液态收缩、体积膨胀、二次收缩三个部分。
在铸型强度比较好时，冒口颈如果在体积膨胀阶段凝固，铸件便可以利用自身的体积膨胀来抵消后期的二次收缩，充分利用石墨析出产生的膨胀压力，从而实现自补缩效果；而在铸型强度比较差时，需要冒口释放一定的膨胀压力，冒口颈凝固稍晚。
模数法计算冒口时只考虑铸件模数，这种方法可以应用于铸钢件、铸铁件等，但这种方法没有考虑球墨铸铁的自补缩作用，对于铸型强度条件好的球墨铸铁，采用这种方法设计的冒口偏大，会造成材料浪费，导致工艺出品率低。
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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。
2、共晶转变过程中石墨的析出导致体积膨胀在共晶温度附近，奥氏体的密度约为7.3g/cm3，石墨的密度约为2.15g/cm3。
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，是在奥氏体外壳包围的条件下长大的，石墨球长大所发生的体积膨胀主要是通过奥氏体外壳作用在相邻的共晶团上，有可能将其挤开，使共晶团之间的空隙扩大，也易于通过共晶团作用在铸型的型壁上，导致型壁运动。
3、铸件凝固过程中石墨化膨胀易使铸型发生型壁运动球墨铸铁以糊状凝固方式凝固，铸件开始凝固时，铸型－金属界面处的铸件外表面层就比灰铸铁薄得多，而且增长很慢，即使经过了较长的时间，表层仍然是强度低、刚度差的薄壳。
内部发生石墨化膨胀时，这种外壳不足以耐受膨胀力的作用下，就可能向外移动。
如果铸型的刚度差，就会发生型壁运动而使型腔胀大。
结果，不仅影响铸件的尺寸精度，而且石墨化膨胀以后的收缩得不到补充，就会在铸件内部产生缩孔、缩松之类的缺陷。
4、共晶奥氏体中的碳含量高于灰铸铁据美国R. W. Heine的研究报告，球墨铸铁共晶凝固过程中，奥氏体中的碳含量高于灰铸铁中奥氏体的碳含量，如图1所示。
图1 灰铸铁和球墨铸铁共晶凝固时奥氏体中的碳含量a、灰铸铁；b、球墨铸铁灰铸铁共晶凝固时，共晶团中的石墨片既与奥氏体接触，也与碳含量高的铁液直接接触，铁液中的碳，除通过奥氏体向石墨扩散外，也直接向石墨片扩散，因而铁液－奥氏体界面处奥氏体中的碳含量较低，约为1.55%左右。
球墨铸铁共晶凝固时，共晶团中的石墨球只与奥氏体壳接触，不与铁液接触，石墨球长大时，铁液中的碳都通过奥氏体壳向石墨球扩散，因而，铁液－奥氏体界面处奥氏体中的碳含量较高，可达到2.15%左右。
球墨铸铁共晶凝固时，奥氏体中的碳含量可能较高，在碳含量、硅含量相同的条件下，如保持同样的冷却速率，则析出的石墨量较少，因而，共晶凝固时的体积收缩会略大于灰铸铁。
这也是球墨铸铁件较易产生缩孔、缩松缺陷的原因之一。
凝固过程中保持较低的冷却速率，是有利于石墨充分析出的因素。
在能使石墨化充分的条件下，共晶奥氏体中的碳含量（即碳在奥氏体中的最大固溶度）与铸铁中的硅含量有关，一般可按下式计算。
碳在奥氏体中的最大固溶度C E =2.045－0.178 Si二、球墨铸铁件凝固过程中的体积变化从铁液浇注到铸型中起，到共晶凝固终了、铸件完全凝固，型腔内的铸铁会发生液态收缩、析出初生石墨所致的体积膨胀、析出共晶奥氏体所致的凝固收缩、析出共晶石墨所致的体积膨胀等几种体积变化。
为便于说明球墨铸铁凝固过程中的体积变化，需要参照图2所示的简略相图。
图2 铁－碳合金的简略相图1、铁液的液态收缩铁液进入铸型后，随着温度的降低，即发生体积收缩。
铁液的液态收缩量，会因其化学成分和处理条件而有所不同，但通常对此都予以忽略，一般都按温度每降低100℃体积收缩1.5%考虑。
发生液态收缩的温度范围，按自浇注温度降到平衡共晶转变温度（1150℃）计算。
球墨铸铁件以几种不同浇注温度浇注时，液态收缩量见表1。
表1 以不同温度浇注时球墨铸铁件的液态收缩量2、析出初生石墨所致的体积膨胀虽然亚共晶球墨铸铁在液相线温度以上也会析出小石墨球，但其量很少，通常都忽略不计。
现以碳含量为C X 的过共晶铸铁为例。
100100⨯--CCX C C C G ＝初生石墨量初（％）式中 C X — 铸铁的碳含量（%）；C C — 共晶碳含量（4.27－1/3Si ）（%）。
前面已经提到，每析出1%（质量分数）的石墨可产生3.4%的体积膨胀，因此，析出初生石墨所致的体积膨胀等于3.4G 初。
几种碳、硅含量不同的球墨铸铁析出初生石墨所致的体积膨胀见表2。
析出初生石墨虽然能弥补铸铁凝固过程中的液态收缩，但对于壁厚40mm 以上的铸件，容易产生石墨夹渣或石墨漂浮等缺陷。
在这种情况下，应特别注意控制碳、硅含量。
3、析出共晶奥氏体所致的体积收缩计算析出共晶奥氏体所致的体积收缩，要考虑共晶液相的质量分数（以下简称‘共晶液相量’）、液态收缩量、自单位共晶液相析出的共晶奥氏体量和凝固收缩量。
液态收缩量的计算已见前述。
由共晶液相析出奥氏体的凝固收缩一般按3.5%计。
100100100⨯-CXC C V －＝共晶液相量共液 （%）100100100⨯--=ECC C V 奥奥氏体量单位共晶液相中析出的 （%）5.31001001001001001⨯--⨯--⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛EC C X L C C C C S S －＝收缩量析出奥氏体所致的体积奥 （%）式中 S L — 铁液的液态收缩量（%）；C E —共晶奥氏体中的碳含量（%）。
几种碳、硅含量不同的球墨铸铁析出共晶奥氏体所致的体积收缩量见表3。
表3 几种球墨铸铁析出共晶奥氏体所致的体积收缩4、析出共晶石墨所致的体积膨胀计算析出共晶石墨所致的体积膨胀，要考虑共晶液相量、液态收缩量、自单位共晶液相析出的石墨量和析出石墨时的体积膨胀量。
液态收缩量的计算已见前述。
每析出1%（质量分数）的石墨可产生3.4%的体积膨胀。
(%)100100100⨯-ECC C G －＝石墨量单位共晶液相中析出的共晶(%)4.31001001001001001⨯⨯--⨯--⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛-=EE C C X L G C C C C C S P 胀量析出共晶石墨所致的膨几种碳、硅含量不同的球墨铸铁析出共晶石墨所致的体积膨胀量见表4。
5、几种常用球墨铸铁凝固过程中体积变化的总体情况根据以上对液态收缩、析出初生石墨的体积膨胀、析出共晶奥氏体所致的体积收缩、析出共晶石墨所致的体积膨胀所作的分析，前面所说的7种常用的球墨铸铁，铁液在不同的温度下浇注时，铸件凝固过程中的体积变化的总体情况见表5。
表5 几种球墨铸铁自不同浇注温度冷却到凝固终了的体积变化注：符号“＋”表示体积增加，符号“－”表示体积减少。
由表5中的资料可见，对于常用的几种球墨铸铁，保持浇注温度在1350℃以下，在铸型不发生型壁运动的条件下，铸件凝固过程中因石墨化而致的体积膨胀可以弥补液态收缩和凝固收缩，因而有可能在不设置冒口的条件下生产健全的铸件。
在浇注温度为1400℃时，如铸铁选取较高的碳当量，石墨化膨胀也可以弥补各种体积收缩，但这种方式只适用于薄壁铸件，壁较厚的铸件容易发生石墨夹渣和石墨漂浮缺陷。
但是，表5中所列的资料是根据平衡状态图求得的，是以‘可能析出的碳’在凝固过程中完全以石墨结晶析出为前提的。
实际生产中，当然要以有效的球化和孕育处理为基础，充分的石墨化至关重要。
对于冷却速率高的铸件、薄壁铸件，由于共晶凝固时石墨化不充分，析出共晶石墨所致的体积膨胀小于上述由计算得到的数值，仍然易于产生缩孔、缩松之类的缺陷。
同时，铸型的刚度也是十分重要的影响因素。
如果铸型的刚度不高，石墨化膨胀时发生型壁运动，则膨胀后的收缩得不到补充，铸件内部就会有缩孔、缩松等缺陷。
三、实现无冒口铸造的条件铸件自浇注完毕到凝固终了的过程中，会发生液态收缩和凝固收缩，而且，由于球墨铸铁以糊状凝固方式凝固，液态收缩很难由浇注系统得到充分的补充，实现无冒口铸造，就是要由石墨结晶析出时的体积膨胀补偿铸铁的液态收缩和凝固收缩。