由球（qiú）墨铸铁的凝固特点认为球铁件易于出现缩孔（kǒng）缩（suō）松缺陷，因而其实现无冒口（kǒu）铸造（zào）较为困难（nán）。阐述了实现球铁件（jiàn）无冒（mào）口（kǒu）铸造工艺所应具备的铁（tiě）液（yè）成份、浇注温度、冷铁工艺（yì）、铸型强（qiáng）度和刚度、孕育处理（lǐ）、铁液过滤和铸件模数等条件，用（yòng）大（dà）模数铸件和小模（mó）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（mò）铸铁与灰铸（zhù）铁的凝固方式不（bú）同是由球墨与片（piàn）墨生长方（fāng）式不（bú）同而造成的。

在亚共晶灰铁（tiě）中石墨在初生奥（ào）氏体的（de）边（biān）缘开（kāi）始析出后，石墨（mò）片的两（liǎng）侧（cè）处（chù）在（zài）奥氏体的包（bāo）围下从（cóng）奥氏体（tǐ）中（zhōng）吸收（shōu）石（shí）墨而变厚（hòu），石墨（mò）片的（de）先端（duān）在液（yè）体中吸（xī）收石墨而生长（zhǎng）。

在球（qiú）墨铸（zhù）铁中，由于（yú）石墨呈球状，石墨球析出后（hòu）就开始向（xiàng）周围吸收石（shí）墨（mò），周围的液体（tǐ）因为（wéi）w（C）量降低而变为固态的奥氏体并且将石墨球（qiú）包（bāo）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（tǐ）中的碳通过固体向石（shí）墨球（qiú）扩散的速（sù）度很慢，被奥氏体包围又***了它的（de）长大；所以（yǐ），即使球墨铸铁的碳当量比（bǐ）灰铸铁高很多，球铁的石墨化却比较困难，因而也（yě）就没有足够的石墨化膨胀来抵（dǐ）消凝（níng）固收缩；因此，球墨铸铁容易产生缩（suō）孔（kǒng）。

另外（wài），包裹石墨球的奥（ào）氏体层厚度（dù）一（yī）般是（shì）石墨球径的（de）1.4倍，也就是说石墨球越大奥氏体层（céng）越厚，液体中（zhōng）的碳通过奥氏体转移（yí）至石墨球的（de）难度也越大。

低硅球墨铸铁容易（yì）产生（shēng）白口的（de）根本原因也在于球墨（mò）铸铁的凝固方式。如（rú）上（shàng）所述，由（yóu）于（yú）球（qiú）墨铸（zhù）铁石墨化困（kùn）难，没有足够（gòu）的由石墨化产生（shēng）的（de）结晶潜（qián）热向铸型内释放而增（zēng）大了过冷（lěng）度，石墨来（lái）不及（jí）析出（chū）就形成了渗碳体（tǐ）。此外，球墨（mò）铸（zhù）铁（tiě）孕育衰退快，也（yě）是极易（yì）发生过冷的因素之一。

2.球墨铸铁（tiě）无冒口铸造的条（tiáo）件

从球墨铸铁的凝（níng）固特点不难看出，球墨铸（zhù）铁件要实现无冒（mào）口铸（zhù）造（zào）的（de）难度较大。笔者根据自己多年的生（shēng）产实践经（jīng）验（yàn），对球墨铸铁实现无冒口铸造工（gōng）艺所需（xū）具备的条件作了一些归纳总结，在此与同（tóng）行分享。

2.1铁液成分的选择（zé）

（1）碳当量（CE）

在同等条件下（xià），微小的石墨在（zài）铁（tiě）液中容（róng）易（yì）溶解并且（qiě）不容易（yì）生长（zhǎng）；随着石（shí）墨长大，石墨的生长速度也变快，所以使铁液（yè）在共（gòng）晶前就（jiù）产生初生石（shí）墨（mò）对（duì）促进（jìn）共晶凝固（gù）石墨化（huà）是非（fēi）常有（yǒu）利（lì）的。过共晶成分的（de）铁液就能满（mǎn）足这（zhè）样的条件，但（dàn）过高的CE值使石墨在共晶凝固前（qián）就长（zhǎng）大，长大到一（yī）定尺寸时石墨开始上浮（fú），产生石（shí）墨漂浮缺陷。这时，由石墨化引（yǐn）起的体积（jī）膨胀只会造成铁液液（yè）面（miàn）上升，不但对（duì）铸件的补缩毫无意义，而且（qiě）由于石墨在液态时吸收了大量（liàng）的碳，反而造成在共（gòng）晶凝（níng）固时铁液（yè）中的w（C）量（liàng）低不能产生足够的共晶（jīng）石墨，也就（jiù）不（bú）能抵消由于共晶凝固造成的收缩。实践证明，能够将CE值控制在（zài）4.30%~4.50%是（shì）***理（lǐ）想的。

（2）硅（Si）

一（yī）般认为在Fe-C-Si系合金中， Si是石墨化元素，w（Si）量（liàng）高有利于石墨化膨（péng）胀（zhàng），能够减少缩孔的（de）发（fā）生。很少有人知道，Si是阻碍（ài）共晶凝固石墨化的（de）。所（suǒ）以，不论从补缩的角度考虑（lǜ），还是从防止碎块状（zhuàng）石墨产生的角度考虑，只要能通过强化孕育等措施防止白口产生，都要尽可能地降低w（Si）量。

（3）碳（C）

在（zài）合理的CE值条件下，尽可（kě）能（néng）提高w（C）量。事实证明球墨铸铁的w（C）量控（kòng）制（zhì）在3.60%~3.70%，铸件具有***小的收缩率。

（4）硫（S）

S是阻碍石墨球化的（de）主要元素，球化处理的主要目的就是脱S，但球（qiú）墨铸铁孕育衰（shuāi）退快与w（S）量太低有（yǒu）直接关系（xì）；所以，适当的（de）w（S）量（liàng）是必要的。可以将（jiāng）w（S）量控（kòng）制在0.015%左右，利（lì）用MgS的成核作用增（zēng）加石（shí）墨核（hé）心质点以（yǐ）增（zēng）加石墨球数，减少衰退（tuì）。

（5）镁（Mg）

Mg也是阻碍石（shí）墨化的元（yuán）素，所以在保（bǎo）证球化率（lǜ）能够达（dá）到90%以上的（de）前提下，Mg应尽可能低（dī）。在原铁液w（O）、w（S）量不高的条（tiáo）件（jiàn）下，残留w（Mg）量能（néng）够控（kòng）制在0.03%~0.04%是***理（lǐ）想的。

（6）其他元素（sù）

Mn、P、Cr等所（suǒ）有阻碍石墨化的（de）元（yuán）素越低越（yuè）好。

要注意微量元素的影响，如Ti。当（dāng）w（Ti）量低时，是强（qiáng）力促进石墨（mò）化元素（sù），同时Ti又是碳化物形成元素（sù），又（yòu）是影响球化促进蠕虫状石墨（mò）产生的元素，所以w（Ti）量控制得（dé）越低越好。笔者公司曾经有一个非常成熟的无（wú）冒口铸造（zào）工艺，由于一时原材料短缺而使用了（le）w（Ti）量（liàng）为（wéi）0.1%的生铁，生（shēng）产出的铸件不（bú）但表（biǎo）面有（yǒu）缩陷，加工（gōng）后内部也出（chū）现了集中型缩孔。

总之，纯（chún）净（jìng）原材料对提（tí）高球墨铸铁的自补缩（suō）能力是有利的。

2.2浇注温度

有实验表明（míng），球（qiú）墨铸（zhù）铁的浇注温度从1350℃到1500℃对（duì）铸件收缩的体积没有明显的影响，只不过缩孔的形态从集中型逐（zhú）渐向分散型过度。石墨球的尺寸也随（suí）着浇注温度的升高逐渐变大，石墨球的（de）数（shù）量（liàng）逐渐（jiàn）减少（shǎo）。所以没有必要（yào）苛求（qiú）过低的浇注温度，只要铸型强度足够抵抗铁液的静（jìng）压力，浇注（zhù）温度可以高一些。通（tōng）过铁（tiě）液加热铸型减少共晶凝固时的过冷（lěng）度，使石墨化有充足的（de）时间（jiān）进行。不过，浇注速度要尽可能（néng）地快，以尽量（liàng）减少型内铁液（yè）的温度（dù）差。

2.3冷铁（tiě）

根据笔者使（shǐ）用冷铁的经验及利（lì）用以上理论分析，冷铁能够消除缩孔缺陷的说法并不确切。一（yī）方面，局（jú）部（bù）使用冷铁（如打孔部位），只（zhī）能使缩孔（kǒng）转（zhuǎn）移而不是消除缩孔（kǒng）；另一方面（miàn），大面积地（dì）使用冷（lěng）铁而获得了减少补缩或无（wú）冒口的效果，只是无意识地增加了铸型强度而不是冷铁减（jiǎn）少了液体或（huò）共晶（jīng）凝固收缩。事实上，如果冷铁使用过（guò）多，影（yǐng）响（xiǎng）了石墨球的长大及石墨化的程度，相反会加（jiā）剧（jù）收缩。

2.4铸型强度（dù）和刚（gāng）度

由于球（qiú）铁（tiě）大都选择共晶或过共晶成分（fèn），铁液在铸型中冷却至共晶温度（dù）所经过（guò）的（de）时间较长，也就是铸（zhù）型所承受的铁液静压力的时间要比亚共晶成分（fèn）的灰铸铁要长，铸（zhù）型也就更容易（yì）产生压缩性变形。当石墨化膨胀引起的体积增加不能抵（dǐ）消液体收缩+凝固收缩+铸型变形体积时，产生缩孔也就在所难免。所以，足（zú）够的铸型刚（gāng）度及抗压强度是实（shí）现无（wú）冒口铸造的重（chóng）要条件，有许多覆砂铁型铸造（zào）工艺实现（xiàn）无冒口铸造既（jì）是这一理论的（de）证明。

2.5孕育处（chù）理

强效孕育剂（jì）及（jí）瞬（shùn）时延后孕（yùn）育工艺（yì）既能给予铁液大量的（de）核心质点，又能防（fáng）止孕育（yù）衰退，能够保证球（qiú）墨铸铁在（zài）共晶凝固时（shí）有（yǒu）足够的石墨球数；多而小的（de）石（shí）墨球减少了液体中的C向石墨核心转移的（de）距离（lí），加快了石墨化速度，短时内大量（liàng）的共（gòng）晶（jīng）凝固又能（néng）释（shì）放（fàng）出较多的结晶（jīng）潜热，减少了过（guò）冷度，既能防止白口的产（chǎn）生（shēng），又能加强（qiáng）石墨化膨（péng）胀。因而。强效孕育对提高（gāo）球（qiú）墨铸铁的自补缩能力（lì）至关（guān）重要。

2.6铁液过滤

铁（tiě）液经过过滤，滤除了部分（fèn）氧（yǎng）化夹杂，使（shǐ）铁液（yè）的微（wēi）观（guān）流（liú）动性（xìng）增（zēng）强，可以降低微观缩孔的产生几率。

2.7铸件模（mó）数

由于铸态珠光（guāng）体球铁需要加入阻碍石墨化的元素，这会影（yǐng）响石墨化程度，对（duì）铸件实现自（zì）补缩目（mù）的有一（yī）定影响（xiǎng），所（suǒ）以有资料介绍，无冒口铸造适用于牌号在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（de）模数应在（zài）3.1cm以上。

值（zhí）得注意的是，厚度（dù）＜50mm的（de）板类铸件实现无冒（mào）口（kǒu）铸造是困难（nán）的。

也（yě）有（yǒu）资料（liào）介绍，对（duì）QT500以上的球墨铸铁（tiě）实现（xiàn）无冒口铸（zhù）造（zào）工艺的条件是其模数应大于（yú）3.6cm。

3.应用实例（lì）介绍

3.1大（dà）模数铸（zhù）件无冒（mào）口铸（zhù）造工艺实例

材料牌号为GGG70的（de）风电增速器行（háng）星支架铸件，重量为3300kg，轮廓（kuò）尺寸为φ1260×1220mm，铸（zhù）件模数约（yuē）为5.0cm。铸（zhù）件成分为：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%。浇注温度（dù）为1370~1380℃

考虑（lǜ）到铁液对铸（zhù）型下（xià）部的压力较大，容易使（shǐ）铸型下部产生压缩变形，所（suǒ）以（yǐ）客（kè）户推荐将（jiāng）冷铁主（zhǔ）要集中放置在下（xià）部（如图1）。根据以往的（de）经验，开始（shǐ）试制时，我们（men）决（jué）定使用（yòng）无冒口（kǒu）铸造工艺，也就是图（tú）1去掉冒口的工（gōng）艺。虽然客户请***人（rén）员对所（suǒ）试制铸件做超（chāo）声探伤并未发现有内部（bù）缺（quē）陷，解剖（pōu）结果也未发（fā）现（xiàn）缩孔缺陷。但对照其它相关（guān）资料（liào）及客户提（tí）供的（de）参考工艺，我们对（duì）这么（me）重（chóng）要的铸（zhù）件批量生产后一旦发生缩（suō）孔缺陷的后（hòu）果甚为担心，所（suǒ）以对（duì）图1工艺进行了凝固模拟试验，模拟结果如图2。

图1 推（tuī）荐（jiàn）的冒口（kǒu）补（bǔ）缩工艺

图2 根据图（tú）1工艺（yì）的模拟结果

从（cóng）模拟结果可见，液态收缩已（yǐ）经将（jiāng）包括内部的3个Φ140×170mm圆形发热保温冒口（kǒu）及（jí）外侧的3个（gè）320×200×320mm腰圆形发热保（bǎo）温冒（mào）口内的铁液全部（bù）用尽；因而，我们在原有320×200×320mm发热保温冒口的（de）上面再加上（shàng）1个（gè）同等（děng）大小的（de）冒口（kǒu），即将冒口尺寸改为320×200×640mm。但是，浇铸后的结（jié）果却是所有冒口一（yī）点（diǎn）收缩的痕迹也没有，从而证实（shí）了这个铸件完（wán）全可（kě）以实现无冒口铸造。

3.2小模数铸件有冒口铸造实例

图（tú）3所示的蜂窝板材料牌号为QT500-7，长×宽（kuān）×高尺（chǐ）寸（cùn）为1 230×860×32 mm，铸件模（mó）数M=3.2/2=1.6 cm。

图3 蜂窝（wō）板毛坯图

此铸件模数远小于3.1cm，显然不适用于无冒口铸造工艺，但试制时为了提高工艺出品（pǐn）率，采（cǎi）用了立浇雨淋（lín）式浇口（图4），原意是想使铸件在凝固时产生自上而（ér）下（xià）的温（wēn）度梯度，以利（lì）用横浇口补缩，但结果却是在铸件的中间（jiān）部位加（jiā）工后产生（shēng）了（le）大面积连（lián）通性缩孔（图4中双点划（huá）线（xiàn）处）。试制4件无（wú）一（yī）件成品。

图4 试制工艺（yì）方案示意图

于（yú）是，我们改变（biàn）思路，制定（dìng）了（le）如图5所（suǒ）示的卧浇、冷（lěng）铁（tiě）加冒口工艺。用（yòng）冷铁（tiě）将（jiāng）铸件分割成9部分，每部分的中央放置冒（mào）口。改（gǎi）进后的（de）工艺（yì）出品率（lǜ）大于75%，产品质量（liàng）稳定（dìng），废品率在2.0%以下，由于原（yuán）材料（liào）和工艺都较稳定（dìng），加工后几乎没有废品（pǐn）。

图（tú）5 改进后的成熟工艺