球铁铸件缩孔、缩松的成因与防止.docx

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⑷ 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| 表1球墨铸铁縮孔縮松显微縮松的特征和部位 特 征縮孔内表面粗糙 -连续或断续米粒状疏松1 位 热节的上部 缩孔下方、厚壁中心 显微缩松 显微镜观察微细连续缺失空间多角形疏松 枝晶间、共晶团边界间种类缩孔-縮松一铁液收縮形成较大缺失空间 铁液收缩形成细小缺失空间众所周知，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种 类部位分类产生时间出现部位产生原因宏观缩松局部缩松共晶凝固前期奥氏体枝晶、共晶团晶簇间隙,热节中心最后凝固轴线缩松共晶凝固中期铸件厚大截面中心线处结晶时间长显微缩松分散缩松共晶凝固后期整个截面枝晶臂或共晶团间LTF区无补缩通道球墨铸铁的容积收缩大致可以分成四个阶段：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 expan或on)：铁液凝固阶段析出奥氏体和石墨，计算表明每析出3(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f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，3(CE) =4.45%-4.5%之间 生产中3(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：①90mmX140mm，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］4 2 O 8 6 11 1'; ■203. 0 3. 5 4; 0 4. 5 石 0w(CE)(%)图.1 「球墨铸铁碳当釐和集中「缩孔体积的关索70VXA/ A•120no10090804.3 4. 5 4.7 4.9 5.1 5.3«ACE)(%)图2 球墨铸铁碳当量和缩松的关系注：①试样尺寸：O90mmX 140mm；②用缩松范 围最低部位至试样底部位置表示缩松严重程(2) 碳和硅：由于石墨密度为2.2g/^3,铸铁的密度为7g/叫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3(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，3(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，3(Mn)W0・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°C球墨铸铁的韧性应遵循 Si+6PW3%，这样算来，如果 3(Si) =2.7%，则应 3(P)W0・O5%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) C、3(FeW) C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3(V)MO・03%时会出现游离渗碳体，通过强化孕 育和提高含硅量即使3(V)M0・O3%，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12X12mm2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球墨铸基铁十字形i弋样的相对彳缩松率［6］球化剂不含稀土0.5% La1.0% La0.5% Ce1.0% Ce1.0% RE缩松面积(%) 8.3 0.0 0.0 2.3 2.0 38.2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球墨铸卡铁的缩孔和缩松体积与灰铸铁、白口铸铁和碳钢的对比［2］材质普通灰铸铁白口铸铁球墨铸铁（灰口）球墨铸铁（白口）缩孔和缩松体积（％） 2.0 5.0 6.7-8.65 10.35-11.0石墨球数是衡量球墨铸铁凝固品质的最重要参数。

经La球化剂处理的球墨铸铁，石墨 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。