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，
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。

球墨铸铁的缩孔、缩松缺陷是由于铁液的液态和凝固收缩引起的，缺陷分类见表1。

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]。

糊状凝固是容积凝固方式，收缩容积量是衡量，冒口也是容积凝固，因此缩松很难用冒
口的方法去除。

资料介绍：有学者通过测量铸铁的收缩、膨胀和冷却曲线研究凝固形貌与缩孔的关系。

球墨铸铁共晶凝固前期，由于析出奥氏体发生显著收缩；共晶后期，石墨球急剧长大产生膨胀。

人们期望膨胀的体积能够抵消收缩。

但是大多数膨润土湿砂型的型壁退让，使膨胀补缩不能实现。

因此在铸造工艺上，应采用冒口对球铁铸件的热节共晶凝固前期进行液态补缩。

而后期的共晶膨胀则通过冒口颈的凝固，根据铸型型壁硬度，可以适当的使铸件致密。

显微缩松发生在铸铁最后凝固（Last to Freeze）区域，简称LTF 区域。

分散在奥氏体枝晶或晶粒间的金属液体，收缩后留下微小孔洞，肉眼难于辨认。

表 2 缩松的种类、出现部位与产生原因
①一次收缩（primary contraction）：浇入铸件的液态金属温度降低必然产生液态收缩。

②体积膨胀(volume expansion)：铁液凝固阶段析出奥氏体和石墨，计算表明每析出ω（C）：1%，铸铁体积增大0.89%-0.95%，实际铸铁体积增大2%。

石墨化只是膨胀原因之一。

③二次收缩(secondary contraction)：凝固后期奥氏体枝晶与共晶团之间铁液的凝固收缩。

二次收缩铁液的石墨化膨胀可以抵消显微缩松。

④固态收缩(solid contraction)：铸件凝固后整体收缩。

固态收缩不产生缩孔、缩松[4]。

1.2 La球化剂、孕育剂的补缩作用
球墨铸铁凝固时的石墨形态、石墨球数量和大小、碳化物的数量等可以通过加入新型球
化剂和孕育剂得到改善。

铁液中生成碳化物的部分，缺少碳原子的析出，没有石墨膨胀，铁
液凝固时体收缩值大。

通常用单位面积内石墨球数来评定球铁的冶金质量，冶金质量好的铸铁，在同样冷却速度下，液态收缩、体积膨胀和二次收缩都小，形成缩孔、缩松和铸件涨大
变形的倾向小。

采用含有金属La 的球化剂和孕育剂，在球墨铸铁凝固时，2-3 倍的增加石
墨球数，大幅增加铁素体量，明显降低白口倾向，有效消除铸件热节部位缩松。

因此，对那
些采取各种铸造工艺手段，依然出现缩孔缩松的球铁铸件，采用La 孕育剂和球化剂，减小
缩孔缩松的形成，是非常有意义的。

本文2.3 节将着重阐述。

2.球墨铸铁铸件缩孔、缩松的防止
2.1提高冶金质量
球墨铸铁铸件缩孔、缩松的成因比较复杂，影响铸铁一次收缩、体积膨胀和二次收缩的
主要因素是冶金质量和冷却速度[4]，以及球化剂和孕育剂的原因。

球墨铸铁冶金质量取决
于原铁液化学成分、铁液纯净度和过热温度等三项冶金指标。

球化处理和孕育效果与冶金质
量关系很大，采用La 球化剂、La 孕育剂，二次孕育或型内孕育，对提高单位面积球数最为
有效。

La 孕育剂通常也被一些工厂用作消除缩松的添加材料。

球墨铸铁凝固品质应从奥氏
体枝晶、石墨球数、共晶晶粒和最后凝固区域这几个方面评价。

其中，石墨球数是衡量球墨
铸铁凝固品质的重要参数。

石墨球数可明显改变金属基体组织，石墨球数增多，球间距变小，缩短碳原子扩散距离，加速奥氏体→铁素体+石墨的转化；石墨球数增多，力学性能明显改
善，LTF 区面积缩小，减少碳化物、变态石墨、缩松缺陷。

实际上，石墨球数增多，使共晶
晶粒数量多、直径小，显著减小LTF 空间体积；石墨球数增多，石墨球径明显减小，力学性
能显著提高[3]。

2.1.1铁液主要化学成分
（1）碳当量：球墨铸铁由于受镁和稀土的影响共晶点右移，ω（CE）=4.45%-4.5%之间。

生产中ω（CE）=4.6%-4.8%，铁液的流动性最好，有利于铸件成形和补缩。

图 1 表明碳当量与球铁缩孔体积的关系。

碳当量在 4.20%时缩孔体积最大，随着碳当量
继续增加，缩孔体积开始减小，到碳当量4.8%时缩孔体积最小[1]。

图 2 表明碳当量与球铁缩松的关系。

图中碳当量在 4.8%时缩松倾向最小。

应该说明的是：图2 采用试样尺寸：Ф90mm×140mm，用缩松范围最低部位至试样底部距离表示缩松
严重程度，距离越大，缩松倾向越小。

为此，碳当量控制在4.7%-4.8%，效果最好[1]。

（2）碳和硅：由于石墨密度为 2.2g/㎝3，铸铁的密度为 7g/㎝3，同等重量石墨所占体积是 铁液的 3.18 倍。

球墨铸铁在不出现石墨漂浮的情况下，提高含碳量可以减小缩孔体积，减
少缩松面积，并使铸件致密。

一般以ω（C ）：3.7%-3.9%为好。

但是，球墨铸铁含碳量高， 为保证球化所需的残余镁量要相应增多，才能保证球化。

硅是促进石墨化元素，促进碳原子向石墨球积聚。

增加硅量，可以减小铸件缩孔、缩松 倾向。

因此中小壁厚的铸件，为防止缩孔、缩松，ω（Si ）：2.5%-2.8% 比较合适。

（3）锰：锰是碳化物促进元素，铁液中生成渗碳体的部分，缺少碳原子的析出，没有石墨 膨胀，铁液凝固时体收缩值大。

生产中采用添加铜来增加珠光体，ω（Mn ）≤0.3%为好。

（4）磷：含磷量高，铸件容易出现缩松。

磷共晶的体积分数大约是含磷量的 20 倍，为确保
缀按磷共晶小于 1%，球墨铸铁的含磷量应小于 0.05%。

为保证-20℃球墨铸铁的韧性应遵循
Si+6P ≤3%，这样算来，如果ω（Si ）=2.7%，则应ω（P ）≤0.05%。

2.1.2 合金元素的影响
（1） 铜、镍：铜和镍促进共晶阶段石墨化，铜的石墨化作用相当于 Si 的 1/3，镍相当于 Si 的 1/5。

铜对球墨铸铁基体的影响是共晶转变阶段，促进石墨化，减少和消除游离渗碳体
的形成。

铜对铸件缩孔、缩松不产生影响。

镍也是石墨化元素，有降低白口倾向的能力，对 铸件缩孔、缩松不产生影响。

（2）铬、钼、钨、钒、铌：铬、钼、钨是中等强度的碳化物形成元素，形成（FeCr ）3C 、
（FeW ）6C 等复合碳化物，凡是促进渗碳体形成的元素都会增加缩孔、缩松倾向。

钒、铌是强碳化物形成元素，当含ω（V ）≥0.03%时会出现游离渗碳体，通过强化孕
育和提高含硅量即使ω（V ）≥0.03%，也可以不出现游离渗碳体。

2.1.3 La 球化剂、孕育剂
球化剂和孕育剂的加入可以影响球墨铸铁凝固时的收缩倾向，而收缩倾向又是与石墨球
数和白口数量密切相关。

人们发现，使用不同的稀土元素对球墨铸铁凝固后的金相组织有重
要影响。

资料介绍[6]：金属镧镁硅铁球化剂包内处理生产球墨铸铁时，可以显著的改善甚 至消除铸件白口和缩松倾向。

表 3 是该资料作者采用专门评定热节部位缩松面积的十字型杆
棒在十字交点中心为中心的 12×12mm 2面积内进行缩松评价的结果。

笔者认为，表 3 最后 一列应视为特殊情况。

有兴趣的读者完全可以自行验证结果，对消除工厂铸件缩松大有裨益
[6]。

表 3 球墨铸铁十字形试样的相对缩松率[6]
表 4 是球墨铸铁的缩孔和缩松体积与灰铸铁白口铸铁的对比数据。

表 3 与表 4 试样不同，研究的对象分别是面积和体积。

但还是可以对不同材质的收缩倾向进行大致的比较。

表 4 球墨铸铁的缩孔和缩松体积与灰铸铁、白口铸铁和碳钢的对比[2]
球分布的特点是出现大量非常小的石墨球和少量较大的石墨球。

这些小石墨球，通常在二次
（结晶）时在最后凝固区域出现。

这些最后析出和生长的石墨球，产生石墨膨胀，抵消最后
凝固区域的收缩。

这就是当冒口停止作用时，石墨化膨胀抵消收缩，防止产生缩松的原因。

2.2铸造工艺的影响
以上我们考虑了球墨铸铁碳硅量低，残留镁、残留稀土过量，碳化物促进元素V、Zr、Nb、Cr、Mo、W、Mn、B 等，增加收缩倾向，产生缩孔缩松的熔炼因素。

球墨铸铁铸件的
缩孔缩松缺陷还可以通过合理的铸型工艺，设计符合铸件凝固原则或补缩方法的浇注系统，
设计满足铸件液态收缩的冒口等方法，予以解决。

2.2.1缩孔与缩松的种类
缩孔、缩松缺陷可以通过表5、表 6 给出的思路，参考相应的技术著述予以解决。

表5、
表6 没有列出的最重要的防止方法是提高冶金质量。

表 5 常见球墨铸铁缩孔的种类、部位、原因及防止办法[5]
铸件的冒口有补充液态收缩和出气的用途。

通用冒口适用于顺序凝固条件，①冒口应
设置在铸件热节上部和侧部，后于铸件凝固；铸件低部位热节，可用冷铁造成有利补缩的条
件；②冒口中有足够的铁液补充铸件的液态和凝固收缩，并能补充铸件型壁迁移引起体积
扩大部分的铁液。

③冒口颈不能过长，扩张角向着冒口，并保证迟于铸件凝固。

④避免冒
口与铸件热节重迭使缩孔留在铸件内。

冒口补缩距离为冒口作用区与末端区之和，是确定冒口数量的依据。

球墨铸铁具有糊状
凝固特性，采用通用冒口，工艺出品率低，补缩效果较差[4]。

2.2.3压力冒口
压力冒口适用于模数小于0.48cm 的球铁件。

压力冒口的原理是铸件液态收缩结束，冒
口颈凝固，在铸型内体积膨胀的铁液流向缩孔缩松之处，避免缩孔缩松缺陷。

压力冒口有效
体积是铸件最高部位以上的体积，有效体积应大于铸件体积的3%-6%。

见表7。

在平衡状态下，近似认为球墨铸铁共晶温度为1150℃，CE = 4.6，对于共晶成分的铁液，
从浇注温度冷却到共晶温度的体收缩值ε液，可用式（1）表示[4]。

ε液 =（90 + 30×4.6）（Tp – 1150）×10-6
（1）式中：Tp ——铸件浇注温度（Pouring Temperature ）
浇道是实质上的冒口，内浇道起冒口颈作用。

不难按照高于铸件最高点水平面以上部分有效体积计算出冒口的尺寸。

压力冒口是暗 冒口，顶部应做出向下的砂尖，借助大气压力的作用。

冒口颈的模数 Mn 的计算方法如式（2）
[4]：
Mn = Ms ×[（浇注温度—1150℃）/（浇注温度—1150℃+ L/C ） 式中：Ms ——铸件的关键模数（Siginificant Modulus ）
L ——铸铁的熔化热（或结晶潜热），L = 209
J/g ；
C ——铁液比热容，c = 0.835 J/g .℃；
（2）
由于式中 L 和 C 是常数，L/C = 250.3℃，经计算 Mn/Ms 的比值列于表 7[4]。

2.2.4 控制压力冒口
控制压力冒口适用于球墨铸铁湿型铸造 Mc =0.48-2.5cm 的铸件。

控制压力冒口首先必 须满足铸件液态收缩。

与压力冒口不同是：共晶膨胀初期保持冒口颈畅通，让铸件内部的铁
液在膨胀压力下回流至冒口，缓解铸型的压力。

控制压力冒口的作用：①铸型因向冒口回流
部分铁液，避免涨大变形；②尚存部分内压力，克服缩孔缩松。

控制压力冒口的控制办法有三种：①适时冻结冒口颈；②暗冒口的溶积控制铸型铁液回
流量；③冒口颈冻结与冒口容积的双重控制。

冒口应设在靠近铸件厚大部位，以暗冒口为宜。

以铸件的关键模数（Ms ），参照图 4 中 Mr 与 Ms 的关系曲线，选取冒口的模数（Mr ）。

冒口颈的模数Mn 按式（3）确定[4]。

冒口颈应为短颈，截面可选用圆形、椭圆形。

Mn = 0.67Mr （3）
控制压力冒口的补缩距离与传统意义不同，应考虑铸件凝固部位向冒口回填铁液，如果铸件内输送距离短，向冒口回填铁液量不足，则铸件释放压力小，铸件内膨胀压力过高，将
导致型壁迁移，铸件涨大变形后，内部缩松难以消除。

因此复杂铸件应按照铁液输送距离和
模数考虑设置多个冒口[4]。

2.2.5无冒口
无冒口一般用于平均模数大于 2.5cm的厚大铸件，当冶金质量非常好时，模数小于 2.5cm
的铸件也可以应用。

采用无冒口工艺要求遵循：
①铁液的冶金质量高，铸型刚度大，采用低温浇注。

浇注温度低，减少液态收缩，铁液
进入铸型后体积立即膨胀，避免收缩缺陷产生的可能性。

尽管以后的共晶膨胀率小，但因模数大可以得到很高的膨胀内压，在坚固的铸型内克服二次收缩的缺陷。

②浇注温度控制在 1300-1350℃之间，采用扁平内浇口，快速分散进入铁液，促进快速凝固，快速建立压力。

刚度大的铸型上下箱要用螺栓和卡箍机械锁紧。

③铸型设置间距 0.5 米直径φ20 的明出气孔，均匀分布；
④生产中无冒口工艺一般要求采用干型，可以设置一个暗冒口，质量不超过铸件总质量的2%，通常称为安全冒口。

当铸件呈现轻微液态收缩时，暗冒口可以补充铸件收缩。

在以后的膨胀期间这个冒口将会被回填满，因此仍属于无冒口补缩范畴[4]。

3 结束语
铸件的废品率关系到能源和资源的巨大损耗。

人们常说：目标确定以后，细节决定成败。

球墨铸铁缩孔、缩松缺陷往往是一些细节问题没有被重视，从而困扰着很多铸造企业，如何减少由此带来的损失，是摆在每个现场工程技术人员前面的课题。

铸造生产需要对各方面问
题去较真（包括缩孔、缩松），那样距离铸造强国的目标就不远了。