球墨铸铁的工艺设计

. . 球墨铸铁的工艺设计 第一节 工艺特点 一、球墨铸铁的流动性与浇注工艺 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，经过球化处理后铁液的流动性下降。同时，如果这些夹渣进入型腔，将会造成夹杂、针孔、铸件表面粗糙等铸造缺陷。 为解决上述问题，球墨铸铁在铸造工艺上须注意以下问题： （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充满型腔，并尽可能不出现紊流。 （4）采用半封闭式浇注系统，根据美国铸造学会推荐的数据，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）在浇注系统中安放过滤网会有助于排除夹渣。 （7）适当提高浇注温度以提高铁液的充型能力并避免出现碳化物。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，根据美国铸造学会推荐的数据，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。球墨铸铁由于石墨球在长大后期被奥氏体壳包围，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。这使球墨铸铁凝固过程中的补缩变得困难。 （2）球墨铸铁的石墨核心多。经过球化和孕育处理，球墨铸铁的石墨核心较之灰铸铁多很多，因而其共晶团尺寸也比灰铸铁细得多。 （3）球墨铸铁具有较大的共晶膨胀力。由于在球墨铸铁共晶凝固过程中石墨很快被奥氏体壳包围，石墨长大过程中因体积增大所引起的膨胀不能传递到铁液中，从而产生较大的共晶膨胀力。当铸型刚度不高时，由此产生的共晶膨胀将引起缩松缺陷。 . . （4）在凝固过程中球墨铸铁的体积变化可以分为三个阶段:铁液浇入铸型后至冷却到共晶温度过程中的液态收缩，共晶凝固过程中由于石墨球的析出引起的体积膨胀，铁液凝固后冷却过程中的体收缩。 由于上述凝固特性，从补缩的角度考虑，球墨铸铁在铸造工艺上有以下特点： （1）铸型要有高的紧实度，以使铸型有足够的刚度以抵抗球墨铸铁共晶凝固时的共晶膨胀力。需要指出的是，此时要特别注意采取适当的措施提高铸型的透气性，同时要尽可能地降低型砂中的水份，以防止出现“呛火”。 （2）合理设置浇冒口。球墨铸铁的冒口与普通钢及白口铁不同，球墨铸铁冒口设置的合理性在于它能够充分补充铁液的液态收缩，而当铁液进入共晶膨胀阶段时，浇注系统和冒口颈及时冷冻，使铸件利用石墨析出的膨胀进行自补缩。 （3）砂箱应有足够的刚度，上箱和下箱之间应有牢固的紧固装置。

第二节 冒口设计

一、冒口模数的定义与计算： 一定的液态球铁铸件的冷却速度及其凝固所需要的时间取决于铸型的热性质、所浇注的合金、浇注温度以及铸件的形状和尺寸。假定铸型的性质和浇注温度不变，则冷却和凝固速度完全取决于铸件。其尺寸的影响能用简单的比例关系来正确地描述：

总的冷却表面积铸件体积

这个比例称做模数，用M表示。因为体积是用cm3或in3度量以及面积是用cm2或in2度量，所以模数的单位是cm或in。 根据J.Jamar的意见，模数的几何计算只是在定向放热(无限大的板、无限长的圆棒和球)时提供正确数值。其它形状所计算的模数和放热速度真正成比例的理论值相比要小百分之三十。然而Berry等人以及Karsay的试验工作发现对于球体、圆柱体和矩形形状，其几何的和“实际的”模数之间并无明显差别。由于在实际应用中几何模数已足够准确，所以下文中用之。 为了设计冒口，无论重量或壁厚都不能像模数那样准地代表铸件。对于形状简单的铸件其模数计算是简单的。下图中给出了几个例子。 .

. 图3-1简单形状铸件模数计算 比较复杂的形状需要用假想的表面分割为一些简单的部分。对每个分割的部分其体积份额以1的分数来汁算，每个分体的模数也要计算，根据计算值绘制累积体积份额与模数图。图中的每个部分应按其在铸件上的实际次序来排列。这样的图形可以像阶梯形如图3-2（A）所示，或者几个厚大断面被割开，如图3-2(B)所示。

1.立方体 a M= a /6

t 2.平板 水平尺寸至少比“t”大5倍 M= t /2 3.正方形棒 b

M= b /4 （长度>5b）

4.圆棒 d M= d /4 （长度>5d）

5.矩形棒 f e (f<5e) M=ef/(2e+2f) （长度<5e） .

. (A) (B) 图 3-2 累积的体积份额—模数图 当有的分体形状仍然比较复杂时，应该以近似尺寸的简单立方体积来代表其形状和尺寸。 应着重记住，分割各个部分的假想表面并非冷却面，所以对各部分的模数进行计算时，不应该计入这些面。图3-3中虚线表示这些假想的分剖面，而各分割部分则以罗马数字来表示。

例1 模数与体积份额图的绘制（尺寸用毫米计，图3-3）

M1 M2 M3 M4 M5 1.0 累积的体积份额 0

M inch cm

1.0 0 累积的体积份额

M inch cm

1

2 3 4 5

6 .

. 图3-3 例1的铸件 图3-3的分体I。 因为它的截面尺寸比其圆周长度要小得多，所以这一部分可以看作是截面为0.8×1.0cm的无限长的杆。

38.10)26.15.3(8.00.1Icm体积

模数（简化为横截面积被圆周除来计算）： cmMI28.08.28.0模数。（注意：分割面并非冷却表面） 图3-3的分体II。 实际体积和冷却表面积按简化的进行计算，其内径是

cm3.321.35.3

3229cm.733)3.35.6()4(II体积

冷却表面积 222125cm5.64.1)3.35.6()4()13(5.633.3II

由此：cmMII59.0 图3-3的分体III 按无限长的、截面为3×1cm2、冷却表面积为3+3=6cm（由周长代替）的杆计算其模数（分割面为非冷却表面）。

体积III（已简化）35.893)35.6(cm 模数MIII =3/6=0.5cm

图3-3的分体IV 近似体积35162.17.1310cmVIV . . 假定这一分体是一块无限大的平板，计算其模数。 MIV =1.2/2=0.6cm

图3-3的分体V 近似为一根无限长的杆。

体积3415245.16cm

模数cmMV74.08.22248 冒口 模数为1.2×0.74=0.89cm，体积计算为118cm3。 体积份额为： VI+VII+VIII+VIV+VV+VR=1223.2cm3，由此式

VI ：=0.01

VII ：=0.06

VIII ：=0.07

VIV ：=0.42

VV ：=0.34

VR ：=0.10

用于绘制模数与体积份额图所需要的全部计算现已全部完成。这个图形示于图3-4。

图3-4—图3-3铸件换算为模数与体积份额图 用例1来说明绘制模数与体积份额图的一个重要步骤。这个图形总是把冒口看作是铸件与冒口增合体的必须部分。为此必须先知道冒口的体积与模数。 模数的计算结果及其分布是与冷却和凝固顺序相一致的。这些知识对于以后

冒口 I 0.01 0.27 0.5

1.0 模数cm

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 II 0.06

0.59 III 0.03 0.375 0.60 IV 0.44 0.74 V

0.36 0.84 0.10 体积份额 .

. 要讲的任何一种冒口设计方法部是需要的。 二、实用冒口设计 从事实践的铸造工作者对前节的结沦可能感到满意，这个结沦这里要重复。从球铁浇注完到凝固开始所经过的时间(平方根)是：

))](1300(0028.005.1[1分TpMt。 以及，同样的铸件从浇注完到凝固结束所需要的时间（平方根）是： )]1300(0028.04.2[2pTMt 式中：M：模数；Tp：浇注温度；

单位用：t：分；M（厘米）=（时/2.54）；Tp（℃）8.132F 只有当球铁浇入湿型时，这两个方程式才都有效。 只要冒口的模数大于它所连接着的铸件的分体的模数(表示为Ms或ML)则冒口保持为液体的时间比铸件分体的要长，这个观点需要立即说明。铸件或其任何部分是不会同对凝固的，下面就这个问题将进一步讨论。说到冒口(明冒口或暗冒口)最重要的是冒口中所包含的液体要与外部大气保持连通。图3-5所示是完全背离正常冒口设计原则的。 楔形冒口(示于上模板)首先在其顶部凝结，而顶部凝固的冒口与大气不连通，因而冒口不能发挥其作用。结果铸件产生缺陷。

图3-5 形状不正确的冒口 通常冒口的形状应使体积与冷却表面的比值(模数)达到最大值。这并不是说推荐冒口应该是球形的，显然球形具有最大的模数。甚至在小冒口中，热流把比较热的(低比重的)液体带到冒口顶部，帮助顶部区域保持为液态。冒口底部温度要稍低一些，也需要有措施以防止冒口颈冻结。所以，一个设计好的冒口其高大于直径，而且冒口下部延伸到冒口颈以下，以便使冒口受热。而且冒口的水平截