由球墨铸铁的凝固（gù）特点认为球铁件易于出现缩孔缩（suō）松缺陷，因而其实（shí）现无冒口（kǒu）铸造较为困难。阐述了实（shí）现球铁件（jiàn）无冒口铸造工（gōng）艺所应具备的铁液成份、浇注温（wēn）度（dù）、冷铁工艺（yì）、铸型强度和刚度、孕育处理、铁液过滤和铸件模数等条件（jiàn），用大模（mó）数（shù）铸件和小模数铸件铸造工艺实例佐证了自己的观点。

1、球墨（mò）铸（zhù）铁的（de）凝固特（tè）点（diǎn）

球墨（mò）铸铁与灰铸（zhù）铁的凝（níng）固方式不同是由（yóu）球墨与片墨生长方式（shì）不同（tóng）而造（zào）成（chéng）的。

在（zài）亚共晶灰铁中石（shí）墨在初生（shēng）奥氏（shì）体的（de）边缘开始析（xī）出后，石墨（mò）片（piàn）的两侧处在奥（ào）氏（shì）体的包（bāo）围下从奥氏体中吸（xī）收石墨（mò）而（ér）变厚，石墨片（piàn）的先端在（zài）液体中吸收石（shí）墨（mò）而生（shēng）长。

在球墨铸铁中，由于石墨（mò）呈球状，石墨球析出（chū）后就（jiù）开始向周围吸收（shōu）石墨，周（zhōu）围的（de）液体因为w（C）量降低而变为固态的奥（ào）氏体并且（qiě）将石墨球包围；由于石墨球处在奥氏体的包围（wéi）中，从奥氏体中只能吸（xī）收的（de）碳较为有限，而液体（tǐ）中的碳（tàn）通过（guò）固体（tǐ）向（xiàng）石墨球扩散的速度很慢，被奥氏体包（bāo）围又（yòu）***了（le）它的长大；所以，即使球墨（mò）铸铁的碳当量比灰（huī）铸（zhù）铁高（gāo）很（hěn）多，球铁的石墨化却比较（jiào）困（kùn）难，因而（ér）也就没有（yǒu）足够（gòu）的石（shí）墨化膨胀来抵消凝固（gù）收缩；因此（cǐ），球墨铸铁容易产生缩孔。

另外，包裹石墨球的奥氏体层厚度一般（bān）是石墨球径的1.4倍，也（yě）就是说石墨球越大奥氏体层越（yuè）厚，液体（tǐ）中的碳通过奥氏体转移至（zhì）石墨球的难度（dù）也越大。

低硅球墨（mò）铸铁容（róng）易产生白口的根本原因也在于（yú）球墨铸铁的凝（níng）固方式。如上所述，由于（yú）球墨铸铁石墨化困（kùn）难，没有足够的由石墨化产生（shēng）的结晶潜热向铸（zhù）型内释（shì）放而增大了过冷度，石墨来不（bú）及析出就形成了（le）渗碳体。此外，球墨铸铁孕（yùn）育衰退快，也是极易发生过（guò）冷的因素之（zhī）一。

2.球墨铸铁（tiě）无（wú）冒口铸造的（de）条件

从球（qiú）墨（mò）铸铁的凝固特点不（bú）难（nán）看出，球墨铸铁件要（yào）实现（xiàn）无（wú）冒口铸造的难度（dù）较大。笔者根据自己（jǐ）多年的生产实（shí）践经验，对球墨铸铁实现无冒口铸造工艺所需具（jù）备的条件作了一些归纳总结（jié），在此与同行分享。

2.1铁液成（chéng）分（fèn）的选择

（1）碳当（dāng）量（CE）

在同（tóng）等条件下，微小的石（shí）墨在铁液中容易溶解并且不容易生长；随着石墨（mò）长大，石墨的生（shēng）长速度也变快，所以使铁液在（zài）共（gòng）晶前就产生初生石墨对（duì）促进共晶凝固石墨化（huà）是（shì）非常（cháng）有利的。过（guò）共晶成分的铁液就能满（mǎn）足（zú）这样的条件，但过高的CE值使石（shí）墨在共晶凝固前就长（zhǎng）大，长大（dà）到一定尺寸时石墨开始上浮，产生石（shí）墨漂浮缺陷。这（zhè）时（shí），由石墨（mò）化引起的体积膨胀只（zhī）会造成铁液液面（miàn）上升，不但对铸件的补缩毫无意义，而且由于石墨在液态时吸收了大量的碳，反而造成在共（gòng）晶凝固时铁液中的（de）w（C）量低不能产生（shēng）足（zú）够的共晶石墨，也就（jiù）不（bú）能抵消（xiāo）由于共晶凝固造成的收缩。实（shí）践证（zhèng）明（míng），能够（gòu）将CE值控制在4.30%~4.50%是***理想的。

（2）硅（Si）

一（yī）般认（rèn）为在Fe-C-Si系合金中， Si是石（shí）墨化元素，w（Si）量高有利于石墨化膨胀，能够（gòu）减少缩孔的发生（shēng）。很少有人知道，Si是阻碍共晶凝固石墨化的。所（suǒ）以，不论从补缩的角度考虑，还（hái）是从防（fáng）止（zhǐ）碎块状石墨产生的角度考虑，只要能通过（guò）强（qiáng）化孕（yùn）育等措施防止白口产生，都要（yào）尽可能地（dì）降低w（Si）量。

（3）碳（C）

在合理的（de）CE值条件下，尽可能提高w（C）量。事实（shí）证（zhèng）明球墨铸铁的w（C）量控（kòng）制在3.60%~3.70%，铸件（jiàn）具有***小的收缩率。

（4）硫（S）

S是阻碍石墨球化（huà）的（de）主要元素，球化处理（lǐ）的主要目的就是（shì）脱（tuō）S，但球墨铸（zhù）铁孕育（yù）衰退（tuì）快与（yǔ）w（S）量太低有直接关系；所以，适当的w（S）量是必要的。可以将w（S）量控制在（zài）0.015%左右，利用（yòng）MgS的（de）成核作用增（zēng）加石墨核心质点以增加石墨球数，减少衰（shuāi）退。

（5）镁（Mg）

Mg也（yě）是阻碍石墨化的元素，所以在（zài）保证球化率（lǜ）能（néng）够（gòu）达（dá）到90%以（yǐ）上的前提下，Mg应尽可能（néng）低。在原铁液w（O）、w（S）量（liàng）不高的条件下，残留w（Mg）量能（néng）够（gòu）控（kòng）制在0.03%~0.04%是***理（lǐ）想的（de）。

（6）其（qí）他元素

Mn、P、Cr等（děng）所（suǒ）有阻碍石墨化（huà）的元素（sù）越低越好。

要注意（yì）微（wēi）量（liàng）元素的影响，如Ti。当w（Ti）量低时，是强力（lì）促进石墨化元素，同时Ti又是碳化物形成元素，又是（shì）影响球化促进（jìn）蠕（rú）虫（chóng）状石墨产生的元素，所以w（Ti）量控制得越低越（yuè）好（hǎo）。笔者公司曾经（jīng）有一个（gè）非常成熟（shú）的无冒口铸造工艺，由（yóu）于一时原材料短缺而使（shǐ）用了w（Ti）量为0.1%的生铁，生产出（chū）的铸件不但表面有缩陷（xiàn），加工后（hòu）内部也（yě）出现了集（jí）中型缩（suō）孔。

总之（zhī），纯净（jìng）原（yuán）材料对提高球墨铸（zhù）铁的自补缩能力是有利的。

2.2浇注（zhù）温度

有实验（yàn）表明，球墨铸铁的（de）浇注温（wēn）度从（cóng）1350℃到1500℃对铸件（jiàn）收缩（suō）的（de）体积没有明显的影（yǐng）响（xiǎng），只不（bú）过（guò）缩孔的形态从集中型（xíng）逐渐向分散型（xíng）过度。石墨（mò）球的尺（chǐ）寸也随着浇（jiāo）注（zhù）温度的（de）升高逐渐变大，石墨球（qiú）的（de）数量逐渐（jiàn）减（jiǎn）少。所以没有必要苛求（qiú）过低（dī）的（de）浇注温度，只（zhī）要铸型强度足够（gòu）抵抗铁液的静（jìng）压力，浇注（zhù）温度可以高一（yī）些。通过铁（tiě）液加（jiā）热铸型减少共晶凝固时的过（guò）冷度，使石墨（mò）化有充足的时间（jiān）进（jìn）行。不过，浇注速度要尽可能地快，以（yǐ）尽量减（jiǎn）少（shǎo）型内铁液（yè）的（de）温（wēn）度差。

2.3冷（lěng）铁

根（gēn）据笔者使用冷（lěng）铁的经验及利（lì）用以上（shàng）理论分析（xī），冷铁能够（gòu）消除缩孔（kǒng）缺陷的说法并不确切。一方面，局部使用冷铁（如打孔部（bù）位），只能使缩孔转移而不是消除缩孔；另一方面，大（dà）面积地（dì）使用冷（lěng）铁而获得了减少补缩或无冒口的效（xiào）果，只（zhī）是无意识地增加了铸型强度而不是冷铁减少了液体或共晶凝固收缩。事实上，如果冷铁使用过多，影响（xiǎng）了石墨球的长（zhǎng）大及石（shí）墨化的程度，相反（fǎn）会加剧收缩。

2.4铸型强度和刚度

由于球（qiú）铁大都（dōu）选择共晶或（huò）过共晶成分（fèn），铁液在铸型中（zhōng）冷却至共晶温度所经过的时间较长（zhǎng），也就是铸型所承受的铁液（yè）静压力的时间要比（bǐ）亚共晶成分的灰（huī）铸（zhù）铁要长，铸型（xíng）也就（jiù）更（gèng）容易（yì）产生压缩性变形。当（dāng）石墨（mò）化膨胀引（yǐn）起（qǐ）的体积增加（jiā）不能抵消液体收缩+凝（níng）固收缩+铸型变（biàn）形体（tǐ）积时，产生缩孔也就（jiù）在所难免。所以，足够（gòu）的（de）铸型刚度（dù）及（jí）抗压强度是实现无冒口铸造的重要条（tiáo）件，有（yǒu）许多覆（fù）砂铁型铸造工艺实现无冒口铸造既是这一理论的证明。

2.5孕（yùn）育处（chù）理（lǐ）

强（qiáng）效孕（yùn）育剂及瞬时延后孕育工（gōng）艺既能给（gěi）予铁液大量的核（hé）心质点，又能（néng）防止孕育衰退，能够保证球（qiú）墨铸铁在共晶凝固时有（yǒu）足够的石墨球（qiú）数；多而小的石墨球（qiú）减少（shǎo）了（le）液体中的C向（xiàng）石墨核心转移的距离（lí），加快了石墨化速（sù）度，短时内（nèi）大量的共晶凝固又（yòu）能释放出较多的结晶潜热，减少了过（guò）冷度（dù），既能防止白口的产（chǎn）生，又能（néng）加强石墨化膨胀。因（yīn）而（ér）。强效孕育对提高球墨铸铁的（de）自（zì）补缩能力至关重（chóng）要（yào）。

2.6铁（tiě）液过（guò）滤（lǜ）

铁液经过过滤，滤除（chú）了（le）部分氧化夹杂，使铁液的微观流动性增（zēng）强，可（kě）以（yǐ）降低微观缩孔的产生（shēng）几率。

2.7铸（zhù）件模数（shù）

由于铸态珠光（guāng）体球铁需要加入（rù）阻碍石墨化的（de）元素，这会影响石墨化程度，对（duì）铸件实现自补缩（suō）目的有一定影响，所以有资料介绍（shào），无（wú）冒（mào）口（kǒu）铸造适（shì）用于（yú）牌（pái）号在QT500以下的球墨铸铁。除此之外，由铸件的形状尺寸（cùn）所决定（dìng）的（de）模数应在3.1cm以上。

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

也有（yǒu）资料介绍，对QT500以上的（de）球墨铸铁（tiě）实现（xiàn）无冒（mào）口（kǒu）铸（zhù）造工艺的条件是其模数应大于3.6cm。

3.应用实例介（jiè）绍

3.1大模（mó）数铸件无冒口铸造工（gōng）艺实例

材料（liào）牌（pái）号为GGG70的风电增速（sù）器行星支架铸件，重量（liàng）为3300kg，轮廓尺寸为φ1260×1220mm，铸件模数约为5.0cm。铸件成分为：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%。浇注温度为1370~1380℃

考虑到（dào）铁液对（duì）铸型下部（bù）的压力较大，容易（yì）使铸型（xíng）下部产生压缩（suō）变形，所（suǒ）以（yǐ）客户推荐将（jiāng）冷铁主（zhǔ）要集中放置在（zài）下部（如图1）。根据（jù）以往的经验，开始试制时，我们决定使用无冒（mào）口铸造工艺，也就是图1去掉冒口的（de）工艺。虽然客（kè）户请***人员（yuán）对所（suǒ）试（shì）制铸件做超声探伤并未（wèi）发现有内部（bù）缺陷，解剖结果也未发现缩孔缺陷。但（dàn）对照其它相关资料及客（kè）户提供的参考工艺，我（wǒ）们对（duì）这么重要的铸件批量生产后一旦发生缩孔缺陷的后果甚为担心，所以对图1工（gōng）艺进行了凝固模拟试验，模拟结果如图2。

图（tú）1 推荐的冒口（kǒu）补缩（suō）工艺

图（tú）2 根据图1工艺的模拟（nǐ）结果

从模拟（nǐ）结果（guǒ）可见，液态收缩已经（jīng）将（jiāng）包括内（nèi）部的3个Φ140×170mm圆（yuán）形发（fā）热保温冒口及外侧的3个320×200×320mm腰圆（yuán）形（xíng）发热保温冒口内的铁液全部用（yòng）尽；因（yīn）而，我们在原有320×200×320mm发热保温冒口的上面再加上1个同等大小的冒口，即将冒口尺寸改为320×200×640mm。但（dàn）是（shì），浇铸后的结（jié）果却是所有冒口一点收缩（suō）的痕（hén）迹也没（méi）有，从而证实了这个（gè）铸件完全可以实现无冒口铸造。

3.2小模数铸件有冒（mào）口铸造实例

图3所示的蜂窝板材料（liào）牌号为QT500-7，长×宽（kuān）×高尺寸为1 230×860×32 mm，铸件（jiàn）模（mó）数M=3.2/2=1.6 cm。

图3 蜂窝板毛坯图

此铸件模（mó）数远小于3.1cm，显然不适用于无冒口铸造工艺（yì），但试制时（shí）为了提高工艺（yì）出品率，采用了（le）立浇雨淋式浇口（图（tú）4），原意是想使铸件在凝固时产生自上而下的温度梯度，以利（lì）用（yòng）横浇口补缩，但结果却是在铸件的中间部（bù）位加工后产生了大（dà）面积（jī）连通性（xìng）缩孔（图4中双点划（huá）线（xiàn）处）。试制4件无一件成（chéng）品。

图4 试制工艺方案示（shì）意图（tú）

于（yú）是（shì），我（wǒ）们改变思路，制定（dìng）了如图5所示的卧浇、冷铁加冒口工艺。用冷铁将铸件分（fèn）割成（chéng）9部分（fèn），每部分的中（zhōng）央放置冒口。改进（jìn）后的工艺出品率大于75%，产品质量稳定，废品率在2.0%以下，由于原材料和工艺（yì）都较稳定，加工后几乎没有废品（pǐn）。

图5 改进后的成熟工艺