球墨铸铁的凝固特性和铸件冒口的设置

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⨯--C
C
X 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⨯-C
X
C C V －＝共晶液相量共液 （%）
100100100⨯--=
E
C
C C V 奥奥氏体量单位共晶液相中析出的 （%）
5.31001001001001001⨯--⨯--⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛
E
C 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⨯-E
C
C C G －＝石墨量单位共晶液相中析出的共晶
(%)4.31001001001001001⨯⨯--⨯--⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛
-=E
E 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。

为此，必须具备以下条件。

1、铁液的冶金质量良好
一般情况下，碳当量以选取4.3或4.4为好，薄壁铸件可适当提高碳当量。

为使结晶析
出的石墨量较多，如保持碳当量相同，则提高碳含量比提高硅含量会更为有利。

应严格控制球化处理作业，在确保石墨完全球化的条件下，尽可能地降低残留镁量，残留镁的质量分数最好保持在0.06%左右。

孕育处理应充分。

除与球化处理同时进行的孕育处理外，浇注时还应进行瞬时孕育。

薄壁铸件，最好在铁液出炉前予以预孕育处理。

2、铸件凝固时的冷却速率不能太高
如果铸件的冷却速率太高，凝固过程中石墨不能充分析出，石墨化膨胀就不足以补偿铸铁的收缩，因而不能实现无冒口铸造。

3、低温浇注
为减少液态收缩，浇注温度最好控制在1350℃以下，通常宜为1320±20℃。

4、采用薄片状内浇口
为避免石墨化膨胀时将铁液自内浇口挤出，必须使内浇口在铁液充满铸型后迅速凝固，因此，采用无冒口铸造方案时，应采用薄而宽的内浇口，其宽度与厚度之比一般为4～5。

内浇口厚度的选定，还应考虑浇注温度，浇注过程中内浇口不应凝固。

5、提高铸型的刚度
为避免石墨化膨胀时型腔胀大，提高铸型刚度是保证铸件质量的重要条件之一。

无论采用粘土湿砂造型、或各种自硬砂造型，不管怎样强调“舂实”都不会过分。

用自硬砂制造较大的铸件时，与铸件上某些肥厚部位相应的铸型表面，应该放置冷铁或石墨块。

冷铁和石墨块，当然有激冷作用，但也应对其提高铸型刚度的作用有正确的认识。

有的情况下，用耐火砖代替冷铁或石墨块，其作用主要就是提高铸型刚度了。

四、采用高刚度铸型时冒口的设置原则
采用各种自硬砂造型工艺、壳型工艺或组芯造型工艺生产球墨铸铁件时，铸型的刚度较高，便于利用石墨化膨胀补充铸铁的液态收缩和凝固收缩，如控制得当，就有可能采用无冒口工艺生产健全的铸件。

如果由于各种原因不宜采用无冒口工艺，则可采用细颈冒口。

1、无冒口的铸造工艺
在铸型刚度高、铁液冶金质量良好的条件下，保持铸件的冷却速率较低，使石墨能充分地结晶析出，是实现无冒口铸造的重要条件。

根据日本後藤等人的研究报告，球墨铸铁件的凝固时间在20min以上，石墨的析出量就能达到饱和值。

S. I. Karsay认为：铸件的平均模数不小于25mm是实现无冒口铸造的条件之一。

具体说来，板状铸件的平均壁厚应不小于50mm。

後藤等人和Karsay的意见表述方式不同，从对冷却速率的分析看来，实际上是一致的。

在铁液的冶金质量良好（如采用预孕育处理或动态孕育处理等措施）的条件下，有些壁较薄的铸件也可以实现无冒口铸造。

采用无冒口铸造工艺时，浇注系统的设计可参考以下意见。

（1）关于横浇道
横浇道以大一些、高一些为好。

一般说来，直浇口截面积、横浇道截面积、内浇口截面积三者之比可以取4:8:3。

横浇道截面高度与宽度之比可以取（1.8～2）:1。

采用这种方式，浇注系统补充铸件液态收缩的作用较好。

（2）关于内浇口
为防止型腔内铸件石墨化时体积膨胀产生的压力使铁液自内浇口倒流入浇注系统，必须采用薄片状内浇口，其厚度的选定，以确保浇注过程中内浇口不会凝固、型腔充满后很快凝固为原则。

一般说来，内浇口截面厚度与宽度之比可以取1:4。

由于内浇口薄、截面积小，为保证快速充满型腔，较大铸件应设多个内浇口。

这样，还
有均衡铸件温度、减少热点的效果。

2、采用细颈冒口
如果有以下情况，采用无冒口铸造方案不能保证铸件质量，就可以考虑采用细颈冒口：
●铸件的壁较薄，凝固过程中石墨化不充分；
●铸件上有分散的热节点，而且又不允许内部存在缩松缺陷；
●浇注温度较高（超过1350℃）。

细颈冒口的主要作用是为铸件的液态收缩提供部分补充，以得到没有缩孔、缩松的铸件。

与铸件连接的细颈，应在铸件开始凝固前凝固，以免石墨化膨胀时铁液进入冒口。

冒口颈与铸件连接处厚度最小，在通向冒口的过渡段逐步增厚，以利于向铸件补充铁液。

冒口颈的厚度一般可以是铸件补缩部位厚度的0.4～0.6。

可能的话，最好使横浇道与冒口连接，铁液通过冒口颈充型，不设置内浇口。

五、采用粘土湿砂型时冒口的设置原则
粘土湿砂型的刚度较差，易于因型壁运动而致型腔体积胀大，型腔体积的胀大受多种因素的影响，如型砂的质量、铸型的紧实程度、浇注温度、型腔内铁液的静压头等，实际体积胀大量可在2～8%之间。

既然型腔的体积胀大量差别甚大，设置冒口的原则当然视具体情况而有所不同。

1、薄壁铸件
壁厚在8mm以下的铸件，一般不会发生明显的型壁运动，铁液充满铸型后的液态收缩也不太大，可采用无冒口铸造工艺。

浇注系统的设计可参照前节所述。

2、壁厚8～12mm的铸件
这一类铸件，如果壁厚均匀，又没有大的热节，只要严格控制低温浇注，也可以采用无冒口铸造工艺。

如果有热节，而且内部不允许存在缩孔、缩松，就应该按照热节的尺寸设置细颈冒口。

3、壁厚在12mm以上的铸件
用粘土湿砂型生产这样的铸件，型壁运动相当大，要制造内部无缺陷的铸件是比较困难的。

制定工艺方案时，可先考虑采用细颈冒口，并严格控制低温浇注。

如果用这种方案不能解决问题，就得设计专用的冒口。

用粘土湿砂型生产球墨铸铁件，如果要设置冒口，最好能做到：
●采用薄型内浇口，使其在铸型充满后凝固。

内浇口凝固后，铸件与冒口组成一个整
体，与浇注系统不相连；
●铸件发生液态收缩时，冒口向铸件补充铁液；
●铸件发生石墨化膨胀时，铁液流向冒口，释放型腔内的压力。

减轻其对铸型壁的作
用；
●铸件本体石墨化膨胀后发生二次收缩时，冒口又可向铸件提供补缩的铁液。

说起来好像并不复杂，但是，实际上设计冒口必须考虑很多影响因素，而且，迄今为止，还未见到行之有效的具体方案，更没有便于利用的成套数据。

生产中，要兼顾铸件质量和工艺出品率，往往不得不进行探索和试验。

关于冒口的设计，可参考以下两种方式。

（1）顶冒口
美国的R. W.. Heine，对用粘土湿砂型生产球墨铸铁件的冒口设置问题，曾进行过系统的研究，提出了多种工艺方案以适用于不同的条件，包括无冒口铸造工艺、压边冒口工艺和顶冒口工艺。

图3是顶冒口工艺的一个用例。

图3 顶冒口应用的一例
在铸件的两个热节之间设置一个顶冒口，借助于冒口的热影响，使冒口下方较薄处的温度提高，冒口可通过此处向两个热节补充铁液。

铸件发生石墨化膨胀时，铁液可通过隔片的孔流向冒口，释放型腔内的压力，型腔的胀大很少。

铸件石墨化膨胀后发生二次收缩时，冒口中的压头可使其中的铁液流向铸件，起补缩作用。

冒口与铸件之间加一隔片，是为了便于落砂后敲下冒口。

2、控制压力冒口
控制压力冒口是S.I. Karsay提出的，其作用的机制与Heine的顶冒口相同，结构方面则是在铸件顶部的侧面设置一个冒口颈截面尺寸较大的暗冒口。

铸型的型腔充满后，薄型内浇口凝固，铸件和暗冒口成为一个相通的整体，铸型－金属界面处凝结一层不太坚固的薄壳，形成了与外界隔离的体系。

铸件发生石墨化膨胀前的液态收缩，由冒口向铸件输送铁液补充。

铸件发生石墨化膨胀时，铁液流向冒口释放压力，石墨化膨胀后期，体系内的压力略高于大气压，但不足以超过薄壳和湿砂型的承载能力，不至于产生型壁运动。

石墨化膨胀后二次收缩时，体系内的压力仍略高于大气压，因而可使铸件内部不产生缩孔、缩松之类的缺陷。

因为设置这种冒口的用意是：铸件石墨化膨胀时，体系内的压力不致过高，可避免粘土湿砂型的型壁运动；二次收缩时，体系内又能保持略高于大气压的压力，可避免铸件产生收缩缺陷。

所以，称之为控制压力冒口。

参考文献
1、R. W. Heine “Risering Principles Applied to Ductile Iron Castings Made in Green Sand”AFS Transactions V ol. 87(1979)
2、S. I. Karsay Ductile Iron ⅢGating and Risering，QIT-Fer et Titane, Inc..
3、〔日〕張博等球墨铸铁—基础·理论·应用—.北京：机械工业出版社，1988.
4、J.F.Meredith “Ductile Iron Feeders —Why They Don’t Always Work”Metal Casting Technologies December 2002.
5、R. V. Sillén “Production of Ductile Iron Castings Without Feeders”FTJ May 2007.。