由球墨铸（zhù）铁（tiě）的凝（níng）固特点认为球铁件易于出现缩孔缩松缺（quē）陷（xiàn），因而其实现无冒口铸造较为困难。阐述了实（shí）现球（qiú）铁件无（wú）冒口铸造工艺（yì）所应具备的铁液成份（fèn）、浇注温度、冷铁工艺、铸型强度和刚度、孕育（yù）处理、铁液过滤（lǜ）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（de）观点（diǎn）。

1、球墨铸铁（tiě）的凝固特点

球（qiú）墨铸（zhù）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（ér）造成的（de）。

在（zài）亚共晶灰铁中石墨在初生奥（ào）氏体的（de）边缘（yuán）开始（shǐ）析出后，石墨片的两侧（cè）处（chù）在奥氏体的包围下从奥氏体（tǐ）中吸收石墨而变（biàn）厚，石墨片的（de）先（xiān）端在液体中吸收石墨而（ér）生长。

在球墨铸（zhù）铁（tiě）中，由于石墨呈（chéng）球（qiú）状，石墨（mò）球析出（chū）后就开始向周围吸收（shōu）石墨，周围的（de）液（yè）体（tǐ）因为w（C）量降低而变为固态（tài）的奥（ào）氏（shì）体（tǐ）并且（qiě）将石（shí）墨球包围；由于石墨球处在（zài）奥氏体（tǐ）的包围中，从奥氏体中只能吸收的（de）碳（tàn）较（jiào）为（wéi）有限，而液体中的碳通过固体向（xiàng）石（shí）墨球扩散（sàn）的速（sù）度很（hěn）慢，被奥氏体包围（wéi）又***了（le）它的长大（dà）；所以，即使（shǐ）球墨铸铁的碳当（dāng）量比灰铸（zhù）铁高（gāo）很多，球铁的石（shí）墨化却比较困难，因而（ér）也就没（méi）有足够的石墨化膨胀（zhàng）来（lái）抵消凝固收缩；因此，球墨铸铁容易产生缩（suō）孔。

另外，包裹石墨球的奥氏（shì）体（tǐ）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（céng）越（yuè）厚，液体中的（de）碳通过奥氏体转（zhuǎn）移至石墨球的难度也越大（dà）。

低硅球墨（mò）铸铁容易产生白（bái）口（kǒu）的根本原因也在于球墨（mò）铸铁的凝固（gù）方式（shì）。如上所述，由于球墨（mò）铸铁石墨化困难，没有足够（gòu）的由石墨化产生的结晶潜热向铸型内（nèi）释放而增大了过冷（lěng）度，石墨来不及析出（chū）就形成了渗碳体。此外，球墨铸铁孕育衰（shuāi）退快，也是极易发生（shēng）过冷的因素之一。

2.球墨铸（zhù）铁无冒（mào）口铸造的条件

从球墨铸铁的凝固特（tè）点不难看出，球墨铸铁（tiě）件要实现（xiàn）无冒（mào）口铸造的难度较大（dà）。笔者根据（jù）自己多年的生产实践经验（yàn），对球（qiú）墨（mò）铸（zhù）铁实现无冒口铸造工艺所需具备的条件作（zuò）了一些（xiē）归纳总（zǒng）结（jié），在此与同行分享。

2.1铁液（yè）成（chéng）分（fèn）的选择

（1）碳当量（CE）

在同等条件下，微小的石墨（mò）在铁液中容易溶解并（bìng）且不（bú）容易生长；随着石墨长大，石墨的生长速（sù）度也变快（kuài），所以使铁液在共晶前就产生初生石（shí）墨对促进共晶凝固石墨化是非（fēi）常有利的。过共晶成分的（de）铁（tiě）液就能（néng）满（mǎn）足这（zhè）样的条件，但（dàn）过高的CE值使（shǐ）石墨（mò）在共晶凝固前就长大（dà），长大（dà）到一（yī）定尺寸（cùn）时石墨开（kāi）始（shǐ）上（shàng）浮，产生石墨漂浮缺陷。这时，由石墨化（huà）引起的（de）体积膨（péng）胀只会（huì）造成（chéng）铁液液（yè）面上升，不但对铸件（jiàn）的补缩毫无意（yì）义（yì），而且由于石墨在液（yè）态时吸（xī）收了（le）大量的碳，反（fǎn）而造成在共晶（jīng）凝固时铁液中的w（C）量低不能产生足（zú）够的共晶（jīng）石墨，也就（jiù）不能抵消由于（yú）共晶凝固造成的收缩。实践证明（míng），能够将CE值控（kòng）制（zhì）在4.30%~4.50%是***理想的。

（2）硅（Si）

一般认为在Fe-C-Si系（xì）合金（jīn）中， Si是石墨化元素，w（Si）量（liàng）高有利于（yú）石墨化膨（péng）胀，能（néng）够（gòu）减少缩孔的发（fā）生（shēng）。很（hěn）少有人知道，Si是阻碍共晶（jīng）凝固石墨化的。所以，不论从补缩的角度考（kǎo）虑，还是从防止碎（suì）块（kuài）状石墨产生的（de）角（jiǎo）度考虑，只要能通过强化孕育等措（cuò）施防止白口产生，都要（yào）尽可能地降低w（Si）量。

（3）碳（C）

在合理的CE值条件下，尽可能提高w（C）量（liàng）。事实证（zhèng）明球（qiú）墨铸铁（tiě）的w（C）量控（kòng）制在3.60%~3.70%，铸件具有***小的收缩（suō）率。

（4）硫（liú）（S）

S是阻（zǔ）碍（ài）石墨球化的主要元素，球化处理的主（zhǔ）要（yào）目的就是脱S，但（dàn）球墨铸铁孕育（yù）衰退快（kuài）与w（S）量（liàng）太低有直接关（guān）系；所以，适当（dāng）的w（S）量（liàng）是必（bì）要的。可以（yǐ）将（jiāng）w（S）量控制在0.015%左右（yòu），利用MgS的成核作用（yòng）增（zēng）加石墨（mò）核心质点以增加（jiā）石墨球数，减少衰退。

（5）镁（Mg）

Mg也是阻碍（ài）石（shí）墨化（huà）的元素，所以在保证球化率能够达到（dào）90%以上的前提下，Mg应（yīng）尽可（kě）能低。在原铁（tiě）液w（O）、w（S）量不高的条件下，残留（liú）w（Mg）量能够控制在（zài）0.03%~0.04%是***理想的（de）。

（6）其他元素（sù）

Mn、P、Cr等所有阻碍石墨（mò）化的（de）元素越（yuè）低（dī）越好。

要注意微量元素的影响，如Ti。当w（Ti）量（liàng）低时，是强（qiáng）力促进石墨化（huà）元素，同时（shí）Ti又是碳化物形成元（yuán）素，又是影（yǐng）响（xiǎng）球化促进（jìn）蠕虫状石墨产生的元素，所以w（Ti）量控制得越低越好。笔者公司曾经有一个非常成（chéng）熟的无冒口铸造（zào）工艺，由于一（yī）时原材料短缺而使用了w（Ti）量为0.1%的生（shēng）铁（tiě），生产出的铸件不但（dàn）表面有缩陷（xiàn），加（jiā）工后内部也出（chū）现了集中型缩孔。

总（zǒng）之，纯净原材料对提高球墨铸铁的自补缩能（néng）力是有利的（de）。

2.2浇注（zhù）温度

有实验表明，球墨（mò）铸铁（tiě）的浇注（zhù）温度从1350℃到1500℃对（duì）铸件收缩的体积没（méi）有明显（xiǎn）的（de）影（yǐng）响，只不过（guò）缩孔的形态（tài）从（cóng）集中（zhōng）型逐渐向分散型过（guò）度（dù）。石墨球（qiú）的尺寸也随着浇注温度的（de）升高逐（zhú）渐变（biàn）大，石墨球的数量逐渐减少。所以没有必要（yào）苛求过低的浇注温度，只要铸型强度足够抵抗铁液的静压（yā）力，浇注温度（dù）可（kě）以高一些。通过铁液加（jiā）热铸型（xíng）减（jiǎn）少共晶凝（níng）固时的过冷（lěng）度，使（shǐ）石墨化有充足（zú）的（de）时间（jiān）进行。不过，浇注速度要尽可能地（dì）快（kuài），以尽量减少（shǎo）型内铁液的温（wēn）度差。

2.3冷铁

根据笔（bǐ）者使（shǐ）用冷铁的经验及（jí）利用（yòng）以上理论分（fèn）析，冷（lěng）铁（tiě）能够消除缩孔（kǒng）缺陷的说法（fǎ）并不确切。一方面，局部（bù）使用冷铁（如打孔部位），只能使缩孔转移而不是（shì）消除缩（suō）孔；另一方（fāng）面（miàn），大面积地使用冷（lěng）铁而获得（dé）了（le）减少补（bǔ）缩（suō）或无冒口的效果，只是（shì）无（wú）意识地增加了（le）铸型（xíng）强度（dù）而不是冷（lěng）铁减少了（le）液体或（huò）共晶（jīng）凝（níng）固收（shōu）缩。事实上，如果冷铁使用过多，影（yǐng）响了石墨（mò）球的（de）长大及石（shí）墨化的程度（dù），相反会（huì）加剧收缩（suō）。

2.4铸型（xíng）强度和刚度

由于（yú）球铁大都选择共晶或过共晶成分（fèn），铁（tiě）液在铸型中冷却至（zhì）共晶温度所经过的时间较长，也就（jiù）是铸型所承受的铁液（yè）静压力的时间要比亚共晶成分的灰铸铁要长，铸型（xíng）也就更（gèng）容易产（chǎn）生（shēng）压缩性变形。当石墨化膨胀（zhàng）引起（qǐ）的体（tǐ）积增加不能抵消液体收缩+凝固（gù）收缩+铸型变形体积时，产生缩孔也就在所难（nán）免（miǎn）。所以，足够的铸型刚度及抗压强度是实现无冒口铸造的重要（yào）条件，有许多（duō）覆砂铁型铸造工艺实现无冒口（kǒu）铸造（zào）既是这一理论的证明。

2.5孕育处（chù）理

强效孕育剂及瞬时延（yán）后孕育工艺既能（néng）给予铁液（yè）大量的核心质点（diǎn），又能防止（zhǐ）孕育衰退（tuì），能够保（bǎo）证球墨（mò）铸铁在（zài）共晶（jīng）凝固时有足够的石墨球（qiú）数；多而（ér）小的石墨（mò）球（qiú）减少了液体中的C向石（shí）墨核心（xīn）转移的（de）距离，加快（kuài）了石（shí）墨化速度，短时内大量的共晶凝固又能（néng）释放出（chū）较多的结晶潜热，减少（shǎo）了过冷（lěng）度，既能防止（zhǐ）白口的产生，又能加强石墨化（huà）膨胀。因（yīn）而（ér）。强（qiáng）效孕育对提高球墨铸（zhù）铁的自补缩能力（lì）至关重要。

2.6铁液（yè）过滤

铁液经过过滤，滤除了部分氧化夹杂（zá），使铁液的微（wēi）观流动性增强（qiáng），可（kě）以降低微观（guān）缩孔的产生几率。

2.7铸件（jiàn）模数

由（yóu）于铸态珠光体（tǐ）球（qiú）铁需要加入阻碍石墨化的元素，这会（huì）影响石墨（mò）化程度，对铸件实现自补缩目的有一定影响，所以有资料介绍，无冒口铸（zhù）造适用于牌号（hào）在QT500以下的球（qiú）墨铸铁。除此之外，由铸件的形状尺寸所决定的模（mó）数应在3.1cm以（yǐ）上。

值得（dé）注意的是，厚度＜50mm的板类铸件实现无冒口铸造（zào）是困难的。

也（yě）有资料介绍，对QT500以上的球墨铸铁实现无冒口铸造工艺的（de）条件（jiàn）是（shì）其模（mó）数应大于3.6cm。

3.应用实（shí）例介绍

3.1大模数铸件无冒（mào）口铸造工艺实例

材料牌号（hào）为（wéi）GGG70的（de）风电增速器行星（xīng）支架铸件，重量为3300kg，轮廓（kuò）尺寸为φ1260×1220mm，铸件模数约为（wéi）5.0cm。铸件（jiàn）成（chéng）分为：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%。浇注（zhù）温度为1370~1380℃

考虑到铁液（yè）对铸（zhù）型下部（bù）的压（yā）力较大，容易使（shǐ）铸（zhù）型下部产生压缩变形，所以客户推荐将冷（lěng）铁主要集中放置在下部（如（rú）图1）。根据（jù）以往的经验，开始（shǐ）试制时，我们决定使（shǐ）用无冒（mào）口铸（zhù）造工艺，也就是图1去掉冒口（kǒu）的工（gōng）艺。虽然客户请***人员对（duì）所试制（zhì）铸件做超声探（tàn）伤并未发现有内部（bù）缺陷，解（jiě）剖结（jié）果也未（wèi）发（fā）现（xiàn）缩孔缺（quē）陷。但（dàn）对（duì）照（zhào）其它相关资料及（jí）客户提供的参考（kǎo）工（gōng）艺，我们对（duì）这（zhè）么重要（yào）的铸件批量生产后一旦发（fā）生缩孔缺陷的后（hòu）果甚为（wéi）担（dān）心，所以对图（tú）1工艺进行了凝固（gù）模拟（nǐ）试（shì）验，模拟结果（guǒ）如图2。

图1 推荐的（de）冒口（kǒu）补（bǔ）缩工艺（yì）

图2 根据图1工（gōng）艺的（de）模拟结果

从模拟结果（guǒ）可见，液态（tài）收（shōu）缩已经将包括内部的3个Φ140×170mm圆形发热保温冒口及外侧的3个320×200×320mm腰圆形发热保温冒口内的铁（tiě）液全部用尽；因而，我们在（zài）原有320×200×320mm发热保温冒（mào）口的上面再加上1个同等大小的（de）冒口，即将（jiāng）冒口尺寸改（gǎi）为（wéi）320×200×640mm。但是，浇铸后的（de）结果却是所有冒口一点收缩的痕迹也没有，从而（ér）证（zhèng）实（shí）了这个铸件（jiàn）完（wán）全可以实现无冒口铸造。

3.2小（xiǎo）模数（shù）铸件有冒口铸造实例

图3所示的蜂窝板材（cái）料牌号为QT500-7，长×宽×高（gāo）尺寸为1 230×860×32 mm，铸件模数M=3.2/2=1.6 cm。

图3 蜂窝板毛坯图（tú）

此铸件模数远小（xiǎo）于3.1cm，显（xiǎn）然不适用于无冒口铸造工艺（yì），但试制时为了（le）提高工艺（yì）出品率，采（cǎi）用了立浇雨淋式浇口（图4），原意是想（xiǎng）使铸件（jiàn）在凝固时产生自上而下的温度梯度，以利用横浇口补缩，但（dàn）结果（guǒ）却是在铸件的中间部位加工后产生了大面积连通性缩孔（图4中双点划线处（chù））。试制4件无一（yī）件成（chéng）品。

图4 试（shì）制工艺方案示（shì）意图

于是，我们改变思路，制（zhì）定了如图5所示（shì）的卧浇、冷铁加冒口工（gōng）艺。用冷铁将铸件分割成9部分，每部分的（de）中央放置冒口（kǒu）。改进后的工（gōng）艺出品（pǐn）率大于75%，产品质量稳定，废品率（lǜ）在2.0%以（yǐ）下，由于原材料和工艺都（dōu）较稳定（dìng），加（jiā）工后几乎（hū）没有废品。

图5 改进后（hòu）的成熟工艺（yì）