由球墨铸铁（tiě）的凝固特点认为球铁（tiě）件易于出现缩孔缩（suō）松缺（quē）陷（xiàn），因而其实现无冒口（kǒu）铸造（zào）较为困难。阐述了实（shí）现球铁（tiě）件无冒口铸造工艺所应具备的铁液成份、浇（jiāo）注温度、冷铁工艺（yì）、铸型强度和刚度、孕育处理、铁液过滤和（hé）铸件模数等条件，用（yòng）大模数铸（zhù）件和小模数铸件铸造（zào）工艺实例佐证了自（zì）己的观（guān）点。

1、球墨铸铁的（de）凝固特点（diǎn）

球墨铸铁与灰铸（zhù）铁的凝固（gù）方（fāng）式不同是（shì）由（yóu）球墨（mò）与片墨生长方式不同而（ér）造成的。

在亚共（gòng）晶灰铁（tiě）中石墨在初生（shēng）奥（ào）氏体的边缘（yuán）开始析（xī）出后，石墨片的两侧（cè）处（chù）在奥氏体的（de）包围下从（cóng）奥氏体中（zhōng）吸收石墨而变厚，石墨片的（de）先（xiān）端在液体中吸收石墨而（ér）生长（zhǎng）。

在球墨（mò）铸铁中，由于石墨（mò）呈球状（zhuàng），石（shí）墨球析（xī）出后就开始向（xiàng）周围（wéi）吸收（shōu）石墨，周围的液体因为w（C）量降低而（ér）变为固（gù）态的奥氏体并且将石墨球包围；由于石（shí）墨球处在奥氏体的包（bāo）围（wéi）中，从奥氏（shì）体中只能吸收的碳较为有限，而液（yè）体中的碳通过（guò）固体向石墨球扩散的速度很慢，被奥氏体包围又***了（le）它的（de）长大；所以，即使（shǐ）球墨（mò）铸铁（tiě）的碳当量（liàng）比灰铸铁高很多，球铁的（de）石墨化（huà）却比较困难（nán），因而也就没有足够的石墨化膨胀（zhàng）来抵（dǐ）消凝（níng）固收缩（suō）；因此（cǐ），球墨铸铁容易产生缩（suō）孔。

另外，包裹石墨球的奥氏体层厚度一般（bān）是石墨球（qiú）径的1.4倍，也就是说石墨球（qiú）越大奥氏（shì）体层（céng）越厚，液体中的碳通过奥氏（shì）体转（zhuǎn）移至（zhì）石墨球的难度也越大。

低硅球（qiú）墨铸铁容易产生白口的根本原因也在于球墨铸铁的（de）凝固方式。如上所（suǒ）述，由于球墨铸铁石（shí）墨化困（kùn）难，没有（yǒu）足够的由石墨化产生（shēng）的结晶潜（qián）热向铸型内释放而增大（dà）了过冷度，石墨（mò）来不及析出就（jiù）形成了渗碳体。此外，球墨铸（zhù）铁孕育衰（shuāi）退快（kuài），也是（shì）极易（yì）发（fā）生过（guò）冷的因素（sù）之一。

2.球墨铸铁无冒口铸造（zào）的条件

从球墨铸铁的凝固特点不难看出，球墨铸铁件要实现无冒口铸造的难度较大（dà）。笔者根据自己多年的生产实践经验（yàn），对球墨铸铁（tiě）实（shí）现无冒口铸造工艺所需具（jù）备（bèi）的条件作（zuò）了一些归纳（nà）总结，在（zài）此（cǐ）与（yǔ）同行分享。

2.1铁液成（chéng）分的选择

（1）碳当量（CE）

在同（tóng）等条件下，微小（xiǎo）的石墨在铁液中容易溶解并且不容易生长；随着石墨长大，石墨的生长速（sù）度也变快，所以（yǐ）使铁（tiě）液在共晶前就产生初（chū）生（shēng）石墨对促进共晶凝固石墨化是非常有利的。过共（gòng）晶成分的铁液就能满足这样（yàng）的条（tiáo）件，但过高（gāo）的CE值使石墨（mò）在共晶凝固前就（jiù）长大，长大到（dào）一定尺寸时石墨开始上（shàng）浮，产生石墨漂浮缺（quē）陷。这时，由石墨化引起（qǐ）的体积膨胀只会造成（chéng）铁液液（yè）面上升，不但对铸件的补（bǔ）缩毫无意（yì）义，而且由于石墨在液态时（shí）吸收了大量的碳，反而造成在共晶凝（níng）固时铁液（yè）中的w（C）量低不能产生足够的（de）共晶石墨，也就不能抵消由于共（gòng）晶凝固造（zào）成的收（shōu）缩。实（shí）践证明，能够（gòu）将CE值控制（zhì）在4.30%~4.50%是***理（lǐ）想的。

（2）硅（Si）

一般认为在Fe-C-Si系合金中， Si是石墨化元素，w（Si）量（liàng）高有利于石墨化膨胀，能够减少缩（suō）孔的（de）发生。很少（shǎo）有人知道，Si是阻碍共晶凝固石墨化的。所以，不论从（cóng）补缩（suō）的角度（dù）考虑，还是从防止碎块状石墨产生的角度考虑（lǜ），只要能通过强化（huà）孕育等措施防（fáng）止（zhǐ）白口（kǒu）产生，都要尽可能地降低w（Si）量（liàng）。

（3）碳（C）

在合理的CE值条件下，尽可（kě）能提（tí）高w（C）量。事实证明（míng）球（qiú）墨铸铁的（de）w（C）量（liàng）控制在3.60%~3.70%，铸件（jiàn）具（jù）有***小的收（shōu）缩率。

（4）硫（liú）（S）

S是（shì）阻碍石墨球化（huà）的主（zhǔ）要元素（sù），球化处（chù）理的主要目的就是脱S，但球墨铸铁孕（yùn）育衰退快与w（S）量太低有直（zhí）接关系；所以，适当（dāng）的（de）w（S）量是（shì）必要的（de）。可以将w（S）量控制在0.015%左右（yòu），利用MgS的成核作用增加石墨核心质点以增加（jiā）石墨（mò）球数，减少衰（shuāi）退。

（5）镁（Mg）

Mg也是阻碍石墨化的元素，所以在保（bǎo）证球化（huà）率能够达到90%以上的前提下，Mg应尽可能低。在原（yuán）铁液w（O）、w（S）量（liàng）不高的（de）条件下，残留w（Mg）量能够控制在0.03%~0.04%是***理想的。

（6）其他元素（sù）

Mn、P、Cr等所有阻碍石（shí）墨化（huà）的元素越低越好。

要注意（yì）微量元素的影响，如Ti。当w（Ti）量低时，是强（qiáng）力促进石墨化元素（sù），同时Ti又是碳化物形成（chéng）元素（sù），又（yòu）是影（yǐng）响（xiǎng）球化促进蠕虫状石墨（mò）产（chǎn）生的元素，所以w（Ti）量控制得（dé）越低越好（hǎo）。笔者（zhě）公司（sī）曾经有（yǒu）一个非常成熟的无冒口铸造工艺（yì），由于一时原材料短缺而使用了w（Ti）量（liàng）为0.1%的生铁（tiě），生（shēng）产（chǎn）出（chū）的（de）铸件不但表面有缩（suō）陷，加工后（hòu）内部也出（chū）现了集中型缩孔（kǒng）。

总（zǒng）之，纯净原材（cái）料对提高球墨铸（zhù）铁的自（zì）补缩能力是（shì）有（yǒu）利的。

2.2浇（jiāo）注温度（dù）

有实（shí）验表明，球（qiú）墨铸（zhù）铁的浇注温度从（cóng）1350℃到1500℃对铸（zhù）件（jiàn）收缩的体积没有明（míng）显（xiǎn）的影响（xiǎng），只不（bú）过缩孔的形（xíng）态从集（jí）中（zhōng）型逐渐向分散（sàn）型（xíng）过度（dù）。石墨球的尺寸也随（suí）着（zhe）浇注温度（dù）的（de）升（shēng）高逐渐变大，石墨球（qiú）的数量逐渐减少。所以没（méi）有必要（yào）苛求过低的（de）浇注温度，只要铸型强度足（zú）够抵抗铁液的静压力，浇注温度可以高一些。通过铁液加热铸型减（jiǎn）少共晶凝固时的过冷（lěng）度，使石墨化有（yǒu）充足的时间进行。不过，浇注（zhù）速度要尽可（kě）能（néng）地快，以尽（jìn）量减少型内铁（tiě）液的温度差。

2.3冷（lěng）铁

根据笔者使（shǐ）用冷铁的经验（yàn）及利用以（yǐ）上理论分析，冷铁能够（gòu）消除缩孔缺陷的（de）说法并（bìng）不确（què）切。一方面，局（jú）部使用冷铁（如打孔部位），只（zhī）能使缩孔转移而（ér）不是消除（chú）缩孔；另一（yī）方面，大面积（jī）地使用冷铁（tiě）而获（huò）得了（le）减少补缩（suō）或无冒口的效（xiào）果，只（zhī）是（shì）无意识地增加了铸型（xíng）强度而不是冷铁减少了液（yè）体或（huò）共晶凝固收缩。事实（shí）上，如果冷铁（tiě）使用过多，影响（xiǎng）了石墨球（qiú）的长大及石墨化的（de）程度，相反会加（jiā）剧收缩。

2.4铸（zhù）型强度（dù）和刚度

由于球铁（tiě）大（dà）都选择共晶或过共晶成分，铁液在铸型（xíng）中冷却至（zhì）共晶温度所经过的时间较长（zhǎng），也（yě）就是铸型所承受的铁液静压力的时间要（yào）比亚（yà）共晶成分的灰（huī）铸（zhù）铁要长，铸型也就更容易产（chǎn）生压缩性变（biàn）形。当石墨化膨胀引起的体积增加不能抵消（xiāo）液体收缩+凝固（gù）收缩+铸型变形（xíng）体积时，产生缩孔也就在（zài）所（suǒ）难免。所以，足够的铸型刚度及抗压强度是实现无冒（mào）口铸造的重要条件，有许多覆砂铁型铸造工艺实现无（wú）冒口铸造既是这一理论的证明。

2.5孕育处（chù）理

强（qiáng）效孕育剂及瞬时延（yán）后（hòu）孕育工（gōng）艺既能给予铁（tiě）液大量的（de）核心质点，又能防止孕育衰（shuāi）退，能够保证球墨（mò）铸铁在共晶凝固时有足够的石墨球数；多而小的石墨（mò）球减少了（le）液体中的C向石（shí）墨核心（xīn）转（zhuǎn）移的距（jù）离，加快了石墨化（huà）速度，短时内大（dà）量的（de）共晶（jīng）凝固又（yòu）能（néng）释放出较多的结晶（jīng）潜热，减少了过冷度，既能防止白口（kǒu）的产（chǎn）生，又能加强石墨化膨胀（zhàng）。因而。强效孕育对提高球墨铸铁（tiě）的自补（bǔ）缩能力至（zhì）关重要（yào）。

2.6铁液过滤

铁液经过（guò）过滤，滤除了部分氧化夹杂，使铁液的（de）微观流动性增强（qiáng），可以（yǐ）降低微观缩孔（kǒng）的产生几率。

2.7铸（zhù）件模数

由于铸态珠光体球铁需要加入（rù）阻碍石墨化的元素（sù），这会影响石墨化程度，对铸件（jiàn）实（shí）现自（zì）补缩（suō）目的（de）有一定影（yǐng）响，所以有资料介绍，无冒口铸（zhù）造适用于牌号在QT500以下（xià）的（de）球墨铸铁。除（chú）此之（zhī）外，由铸件的形（xíng）状尺寸所决定（dìng）的模数应在3.1cm以上。

值（zhí）得注意的是，厚（hòu）度＜50mm的板类（lèi）铸（zhù）件（jiàn）实（shí）现无（wú）冒口铸（zhù）造是困难的。

也有资料介绍，对QT500以上的球（qiú）墨铸铁（tiě）实现无冒口（kǒu）铸（zhù）造（zào）工艺的条（tiáo）件是其模数应大于3.6cm。

3.应用（yòng）实例介绍

3.1大模数（shù）铸件无冒口铸造工艺实例

材料牌号为GGG70的风电增速（sù）器行星支架铸件（jiàn），重量为3300kg，轮廓尺（chǐ）寸为φ1260×1220mm，铸件模（mó）数约为5.0cm。铸件成（chéng）分为（wéi）：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℃

考虑到铁液对铸型下部的压力较大，容易使铸（zhù）型（xíng）下部产生压缩（suō）变形，所以客（kè）户推荐（jiàn）将冷铁主要集中放置在下（xià）部（bù）（如图1）。根据以往的经验，开始试制时，我们决（jué）定使（shǐ）用无（wú）冒（mào）口铸造工艺，也就是图1去掉冒（mào）口（kǒu）的工艺。虽然客户（hù）请***人员对所试制铸件做（zuò）超声探（tàn）伤（shāng）并未发现有内部缺陷，解剖结（jié）果也未发现缩孔缺陷。但对照其它相关资料及客户提供的参考工艺，我（wǒ）们（men）对这么重要的铸件批量生产后一旦发生缩孔缺陷的后（hòu）果甚（shèn）为担心，所以对图1工艺进行了凝固（gù）模（mó）拟试验，模拟结果如图2。

图1 推（tuī）荐（jiàn）的冒口补缩（suō）工艺（yì）

图2 根据图1工艺（yì）的模拟（nǐ）结（jié）果（guǒ）

从模拟结果（guǒ）可见，液态收缩（suō）已经将包括内部的3个Φ140×170mm圆形发热（rè）保温冒口及外侧（cè）的3个（gè）320×200×320mm腰圆形发（fā）热保（bǎo）温（wēn）冒（mào）口内的铁液全（quán）部用尽；因而，我们在原有320×200×320mm发热保温冒口的上面再加（jiā）上（shàng）1个同等大小的冒（mào）口，即将冒口尺（chǐ）寸改为320×200×640mm。但是（shì），浇铸后的结果却是（shì）所（suǒ）有冒口一（yī）点收缩（suō）的痕迹也（yě）没（méi）有，从而证实了这个铸件（jiàn）完（wán）全可以（yǐ）实现（xiàn）无冒口铸造。

3.2小模数铸件有冒口铸造（zào）实例

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

图（tú）3 蜂窝板毛坯（pī）图

此铸件模数远小于3.1cm，显然不适用于（yú）无冒口铸造工艺，但试制时（shí）为了（le）提高工艺出（chū）品率（lǜ），采用了立浇（jiāo）雨淋式浇口（图4），原意是想使铸件在凝固时产生（shēng）自上（shàng）而下的温度梯度，以利用横浇口补（bǔ）缩，但（dàn）结果（guǒ）却是（shì）在铸件的中（zhōng）间部位加工后产生（shēng）了大（dà）面积连通性缩孔（图4中双点（diǎn）划线处）。试制（zhì）4件无（wú）一件（jiàn）成品。

图4 试（shì）制工艺方案示意图

于是，我们改变思路，制（zhì）定了如图5所（suǒ）示的卧（wò）浇（jiāo）、冷铁加冒口工（gōng）艺。用冷（lěng）铁（tiě）将（jiāng）铸件分割成（chéng）9部分，每部分的（de）中（zhōng）央放置冒口（kǒu）。改进后的工艺（yì）出品率大（dà）于75%，产品质（zhì）量稳定，废品率在2.0%以（yǐ）下（xià），由于原材料和（hé）工艺（yì）都较稳定，加工后（hòu）几乎没（méi）有废品。

图5 改进后的成熟工艺