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上世紀(jì)50年代初(更早)，鑄造界就發(fā)現(xiàn)鑄鐵件由石墨析出產(chǎn)生的體積膨脹可對(duì)鑄件起到自補(bǔ)縮作用，然而，今仍然有不少鑄造工藝人員不會(huì)很好地利用這種自補(bǔ)縮作用。一般認(rèn)為:ω（C），ω（Si）量越高，孕育作用越強(qiáng)，越有利于石墨化；石墨化膨脹量越大，自補(bǔ)縮作用就越好。他們不知道石墨膨脹發(fā)生時(shí)間對(duì)補(bǔ)縮作用會(huì)有影響，有人主張要采取工藝措施，使石墨化膨脹提前，使膨脹與凝固初期的收縮均衡，達(dá)到減少外部補(bǔ)縮量，從而減小冒口尺寸的目的，其結(jié)果反而導(dǎo)致外部補(bǔ)縮與石墨化膨脹相互抵觸，使鑄件更容易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。

         隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，鑄造界對(duì)此問(wèn)題的認(rèn)識(shí)已逐步深化。早在21年前，RW Heine就發(fā)現(xiàn)：先共晶石墨析出使石墨化膨脹提前，不但使膨脹不能用于補(bǔ)縮，反而會(huì)使鐵液倒流，進(jìn)人冒口導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。近年來(lái)，國(guó)外已經(jīng)開展了如何利用石墨化膨脹自補(bǔ)縮作用的試驗(yàn)研究，并且加強(qiáng)對(duì)到如何控制石墨析出時(shí)間，使石墨化膨脹高峰期推遲的方法。現(xiàn)摘要介紹如下石墨析出時(shí)間的控制。開始只是通過(guò)控制ω（C），ω（Si）量和孕育強(qiáng)度，以防止初生石墨析出引起膨脹過(guò)早;目前，已發(fā)展到研制特殊球化劑和特殊孕育劑，使石墨析出高峰從鑄件凝固初期推遲到凝固后期，也就是使大部分石墨化膨脹推遲到型腔進(jìn)出口已凝固封閉、外部補(bǔ)縮已停止、只能依靠石墨化膨脹進(jìn)行自補(bǔ)縮的凝固后期，從而使膨脹更有效地起到消除縮孔、縮松的作用。

2011年，埃肯公司(Elkem Metals.Inc.)技術(shù)服務(wù)部經(jīng)理Doug White在“防止縮孔、縮松缺陷，提高球鐵件工藝出品率”的論文中列述了防止球墨鑄鐵件縮孔、縮松缺陷的各項(xiàng)措施，其中幾項(xiàng)主要措施都涉及。

1、在不發(fā)生石墨漂浮、沒(méi)有初生石墨析出的前提下盡量提高ω（C）量

        圖1是按照壁厚為13~38mm的鑄件制作出來(lái)的。為防止石墨漂浮，鑄件的碳當(dāng)量(CE=C+1/3Si)不能超過(guò)4.55%；對(duì)于更薄的鑄件，CE可以適當(dāng)提高。

此外，上世紀(jì)80年代中期，英國(guó)鑄鐵研究學(xué)會(huì)(BCIRA)曾受美國(guó)鑄造學(xué)會(huì)委托，系統(tǒng)研究了各種工藝因素對(duì)球墨鑄鐵石墨漂浮的影響。表1為試樣的情況，表2是不同Si量、不同壁厚的方形試棒防止石墨漂浮的高ω(C)量(澆注溫度為1400℃)，即減少縮孔、縮松傾向的高ω(G)量。

共晶凝固包括奧氏體和石墨同時(shí)析出以及石墨在奧氏體外殼包圍下長(zhǎng)大。如果按照共晶凝固方式進(jìn)行凝固，縮孔、縮松傾向?qū)㈦Sω(C)量增加而減小。但ω(C)量過(guò)高，凝固過(guò)程將以析出初生石墨開始，大部分由石墨析出所產(chǎn)生的膨脹會(huì)在凝固初期被消耗掉，這是由于石墨在鐵液中上浮時(shí)，析出速度過(guò)快造成的。在凝固后期，共晶團(tuán)之間的孤立液池凝固時(shí)，由于石墨化膨脹量不足以補(bǔ)充體積收縮，故縮孔、縮松傾向較大。

2、控制石墨析出產(chǎn)生膨脹的時(shí)間

        如果石墨析出過(guò)早，在凝固后期澆、冒口不能提供補(bǔ)縮液體時(shí)，石墨化膨脹量將會(huì)過(guò)小，將會(huì)產(chǎn)生大量的縮孔、縮松缺陷。因此，從凝固開始到凝固結(jié)束，石墨析出應(yīng)始終保持相同的速度，尤其是凝固初期石墨析出不宜過(guò)快。影響凝固各階段石墨析出量的因素有:

        (1) ω(C)和ω(Si)量

按表1和表2將CE控制在目標(biāo)值的同時(shí)，應(yīng)采取高C低Si的原則。因?yàn)镃是使石墨膨脹的元素，Si是影響凝固初期膨脹量的元素，ω(Si)量較高，使石墨球數(shù)增加，出現(xiàn)較多的鐵素體，并且會(huì)使石墨析出較早，進(jìn)而導(dǎo)致凝固初期膨脹量過(guò)大，凝固后期殘余鐵液凝固時(shí)膨脹量不足。因此，ω(Si)量只要能夠防止碳化物形成、強(qiáng)化鐵素體達(dá)到力學(xué)性能要求即可，不宜過(guò)高。

(2)孕育劑

孕育劑的加入量過(guò)多或采用含Bi的孕育劑將導(dǎo)致石墨球數(shù)增多，耐石墨球的尺寸均勻，進(jìn)而使縮孔、縮松傾向增大。

(3) ω(Mg)量

隨著ω(Mg)量的增加，縮孔、縮松傾向也隨之增大，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制ω( Mg)量。

3、穩(wěn)定控制原鐵液的ω(S)量

        由于石墨球數(shù)隨ω(S)量的增加而增多，所以，在生產(chǎn)壁厚較薄、白口傾向較大的鑄件時(shí)，采用ω(S)量較高的原鐵液是防止碳化物形成的有效措施。但原鐵液的ω(S)量過(guò)高，會(huì)使石墨析出過(guò)早、石墨球較多且尺寸均勻，導(dǎo)致縮孔、縮松傾向增大，這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在厚斷面鑄件。原鐵液ω(S)量變化較大將導(dǎo)致石墨球數(shù)及尺寸均發(fā)生較大的變化，為此，在鑄造生產(chǎn)中各包次原鐵液的ω(S)量應(yīng)盡量保持一致。

4、避免原鐵液停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)

        由于在原鐵液停留期間，其形核能力會(huì)發(fā)生衰減，而且會(huì)損失大量的C，所以，在進(jìn)行球化處理和孕育處理前應(yīng)避免原鐵液停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。如果在出鐵溫度下停留約30 min后才進(jìn)行球化處理和孕育處理，很容易形成碳化物和產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，而且這種碳化物即使采用包內(nèi)孕育和隨流孕育的方法也很難消除。若此時(shí)加入晶體石墨(例如石墨電極切屑)則可以恢復(fù)部分形核能力，補(bǔ)償停留引起的ω(C)量損失。

5、避免球化處理后的鐵液停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)

球化處理后的鐵液在自動(dòng)澆注包內(nèi)停留25~30 min，會(huì)使鐵液的形核能力降低，縮孔、縮松傾向增大，這種情況下，利用熱分析方法可有助于將鐵液恢復(fù)到縮孔、縮松傾向較低的狀態(tài)。向自動(dòng)澆注包補(bǔ)加新鮮處理的鐵液，并加人0.1%用含S化合物和含O化合物包覆的孕育劑，可使這種已經(jīng)衰退的“死鐵液”恢復(fù)形核能力。

6、采用減小縮孔、縮松的專用球化

        傳統(tǒng)的MgFeSi球化劑一般加入混合RE(mischmetal)，目的是抵消反球化元素、防止?jié)沧囟鹊蜁r(shí)鑄件邊緣產(chǎn)生碳化物和優(yōu)化石墨球數(shù)。專用球化劑中不加混合RE，而是加入純度較高的La，利用此類球化劑生產(chǎn)的鑄件不僅石墨球數(shù)多，而且石墨球的尺寸大小不一，凝固初期形成的石墨球數(shù)也略有減少，中、小尺寸的石墨球數(shù)明顯增多，說(shuō)明凝固過(guò)程中石墨析出量比較一致，因此，在凝固后期有較大的膨脹

        表3為A、B兩種型內(nèi)球化劑的成分對(duì)比。表3中兩種球化劑的La加入量相同，只是A種球化劑中除La外還有其他稀土元素，且量較多，B種球化利中則不含其它稀土元素；鐵液均來(lái)自同一自動(dòng)澆注包，兩種球化劑分別放入兩個(gè)鑄型，二者澆注時(shí)問(wèn)間隔僅有數(shù)秒鐘，因此，對(duì)比條件基本上是相同的。

  圖2是使用這兩種球化劑所生產(chǎn)鑄件的金相組織，圖3為兩種球化劑得到的球墨尺寸分布對(duì)比。使用A種球化劑得到的大尺寸球墨相對(duì)較多，而使用B種球化劑得到的大尺寸石墨球較少，且以中、小石墨球?yàn)橹?，尺寸分布偏向于較細(xì)小的石墨球，即縮孔、縮松傾向較小。

石墨球的尺寸與其析出和開始長(zhǎng)大的時(shí)間有關(guān)。從圖3可以看出，采川A種球化劑處理時(shí)，凝固初期析出石墨(尺寸較大的石墨)數(shù)量相對(duì)較多，凝固后期析出的石墨(尺寸較小的石墨)相對(duì)較少；而采用B種球化劑處理時(shí)，凝固末期(冒口已不能提供補(bǔ)縮鐵液)析出的石墨相對(duì)較多，囚而可以預(yù)測(cè)到它的縮孔、縮松傾向較小。

圖4為A 、B兩種球化劑生產(chǎn)的鑄件縮孔、縮松情況對(duì)比，從圖4可以看出，讓部分石墨保留到凝固后期析出和膨脹，可有效減小縮孔、縮松傾向；球墨尺寸分散、并且多為小尺寸石墨(多數(shù)為后期析出)，有利于減小縮孔、縮松傾向。

7、采用減小縮孔、縮松的專 利孕育

采用含S化合物和含O化合物包覆的專 利孕育劑也可使球墨尺寸分布向小尺寸偏移。圖5為普通孕育劑與專 利孕育劑的球墨數(shù)量和尺寸分布對(duì)比。從圖5可以看出：對(duì)一于壁厚為5mm的薄件，兩種孕育劑生產(chǎn)的鑄件石墨形態(tài)幾無(wú)差別；而對(duì)于厚斷面鑄件，兩種孕育劑生產(chǎn)的鑄件石墨形態(tài)則差別較大。用普通孕育劑處理時(shí)，隨著鑄件斷面厚度的增加，5mm厚的鑄件石墨球數(shù)從297個(gè)/mm2 減少到40 mm厚鑄件的155個(gè)/mm2，由于尺寸較大的石墨球析出時(shí)間較早，長(zhǎng)大時(shí)間較長(zhǎng)，所以石墨球尺寸會(huì)變得更大；而用專 利孕育劑處理時(shí)，石墨球數(shù)幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，略有增多，5 mm厚的鑄件石墨球數(shù)從297個(gè)/mm2增到312個(gè)/mm2，40 mm厚的鑄件石墨球數(shù)從155個(gè)/mm2增到340個(gè)/mm2，而且大尺寸的石墨球很少，中、小尺寸的石墨球占多數(shù)。

圖6為采用不同孕育劑處理的十字形試樣的縮孔、縮松情況對(duì)比，從圖6可以看出，縮孔、縮松傾向的大小與球墨尺寸分布有關(guān)。

8、利用熱分析曲線預(yù)測(cè)球墨尺寸和縮孔、縮松傾向

圖7為采用傳統(tǒng)孕育劑與采用S、O包覆的專 利孕育劑處理的球墨鑄鐵的熱分析曲線對(duì)比。從圖7可以看出，用傳統(tǒng)孕育劑處理的球墨鑄鐵件，其冷卻曲線后半段呈大圓弧形；用S、O包覆的專 利孕育劑處理的球墨鑄鐵件，由于在整個(gè)凝固過(guò)程中C和奧氏體的析出速度始終較為均勻，其冷卻曲線比較平坦，并且其過(guò)冷度和再輝度均較小。高的再輝度表明凝固初期C和奧氏體析出較迅速，平坦的曲線說(shuō)明縮孔、縮松傾向較小。

         為進(jìn)一步顯示圖7兩條熱分析曲線的差別，對(duì)兩條曲線進(jìn)行了一階微分處理，結(jié)果如圖8所示。使用專 利孕育劑時(shí)，曲線在凝固終點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角較小、較尖，說(shuō)明凝固后期熱分析曲線斜度變化較大，是縮孔、縮松傾向較小的標(biāo)志。

研究表明，如果孕育目的僅是使尺寸相同的石墨球數(shù)增加，那么孕育過(guò)度必然會(huì)導(dǎo)致縮孔、縮松缺陷產(chǎn)生。圖9是石墨球數(shù)量、尺寸分布與縮孔、縮松的關(guān)系，從圖9可以看出，石墨球數(shù)從175個(gè)/mm2增到225個(gè)/mm2，縮孔、縮松也隨之增加；但隨著石墨球數(shù)增加，石墨球尺寸分布以小尺寸的石墨球隨之增多，縮孔、縮松傾向則可以大大減小。

9、提高凝固速度

對(duì)于大型鑄件，往往希望有較多的石墨球數(shù)和較高的球化率，采用激冷技術(shù)不但可以防止縮孔、縮松缺陷的產(chǎn)生，還有利于增加石墨球的數(shù)量和提高球化率；而使用冒口不但降低工藝出品率，還會(huì)延長(zhǎng)凝固時(shí)間而使組織變差。

對(duì)鑄件容易產(chǎn)生縮孔、縮松的部位采用激冷技術(shù)的方法有多種，除了常用外冷鐵和內(nèi)冷鐵之外，還可以在鑄件容易產(chǎn)生縮孔、縮松的部位設(shè)置一些散熱針或散熱片，使鑄件熱量向型砂的傳遞速度加快，從而防止該部位產(chǎn)生縮孔、縮松。這些散熱針或者散熱片可以直接在模具和芯盒上做出，也可以在砂芯(或砂型)上鉆孔做出。

10、采用剛度高且均勻的鑄型

如果鑄型剛度足夠高，球鐵件可以采用無(wú)冒口工藝生產(chǎn)為盡可能提高濕型粘上砂的剛度，防止其型壁移動(dòng)而產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，要注意確保型砂性能和加強(qiáng)造型機(jī)維護(hù)保養(yǎng)，模具上的深凹部位，要注意排氣通暢。

結(jié) 束 語(yǔ)

    總之，防止球鐵件縮孔、縮松缺陷的措施有很多，其中如何合理利用石墨化膨脹的自補(bǔ)縮作用很重要。利用膨脹進(jìn)行補(bǔ)縮不是通過(guò)簡(jiǎn)單地提高ω(C)及ω(Si)量、強(qiáng)化孕育和增大石墨化膨脹量，還必須重視對(duì)石墨析出時(shí)間的控制，要盡量避免石墨析出過(guò)早，防止凝固初期由于膨脹過(guò)早、過(guò)大而使來(lái)自澆、冒口的外部液態(tài)補(bǔ)縮受阻；要選擇恰當(dāng)?shù)摩?C)及ω(Si)量、控制原鐵液質(zhì)量、改進(jìn)球化劑和孕育劑，使石墨析出高峰期(也就是膨脹高峰)推遲，確保鑄件在其型腔進(jìn)出口已凝固封閉、外部補(bǔ)縮已停止、只能依靠石墨化膨脹進(jìn)行自補(bǔ)縮的鑄件在凝固后期有足夠的石墨化膨脹進(jìn)行補(bǔ)縮。

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