由球墨铸铁的凝固特（tè）点（diǎn）认为（wéi）球铁（tiě）件易于出（chū）现缩（suō）孔缩松缺（quē）陷，因而（ér）其实现无冒口铸造较为困（kùn）难。阐（chǎn）述了实现球（qiú）铁件无（wú）冒（mào）口铸（zhù）造工艺所应具备的铁液成份、浇注温（wēn）度、冷铁工艺、铸型强度和（hé）刚（gāng）度、孕育（yù）处理、铁液过滤和铸件模（mó）数等条件，用大（dà）模（mó）数铸件和（hé）小模（mó）数铸件铸造（zào）工（gōng）艺实（shí）例佐证了自（zì）己的观点。

1、球墨铸（zhù）铁的凝固特点

球墨铸铁与灰铸铁（tiě）的凝（níng）固方式不同（tóng）是由球墨与片墨（mò）生长方式不同而造成的。

在亚共晶灰铁中石墨在初生奥氏（shì）体的边缘开（kāi）始（shǐ）析（xī）出后，石墨片的（de）两侧处（chù）在奥（ào）氏体（tǐ）的包围（wéi）下从奥氏体中吸收（shōu）石墨而变厚，石墨片的（de）先端在液体中吸（xī）收石墨（mò）而生长。

在球墨铸铁中，由于石墨呈（chéng）球状，石墨球析出后就开始（shǐ）向周（zhōu）围吸收石墨，周围的液体因为w（C）量降低而（ér）变为（wéi）固态的奥氏体并且将石墨球（qiú）包（bāo）围；由于石墨（mò）球处在奥氏体（tǐ）的包（bāo）围中（zhōng），从奥氏体中只（zhī）能吸收的（de）碳较为有限，而液体中的碳通过固体（tǐ）向（xiàng）石墨球扩散（sàn）的速度很（hěn）慢（màn），被奥氏体包（bāo）围又***了它的（de）长大；所（suǒ）以，即使球墨铸铁的碳当量（liàng）比灰铸（zhù）铁（tiě）高很多，球铁的石墨化却比较困（kùn）难，因而（ér）也就（jiù）没（méi）有足够的石墨化膨胀来抵消凝固收缩；因此，球墨铸铁（tiě）容易产生（shēng）缩孔（kǒng）。

另外，包裹（guǒ）石墨球（qiú）的奥氏体层厚度一般（bān）是石墨（mò）球径的1.4倍，也就（jiù）是说石墨球越大奥氏体（tǐ）层越厚，液体中的碳通（tōng）过（guò）奥氏体转移至石墨（mò）球的难度也越大（dà）。

低硅球（qiú）墨铸铁容易产（chǎn）生白口的根本（běn）原因（yīn）也在于球（qiú）墨铸铁的（de）凝固方式。如（rú）上所述（shù），由于球墨铸铁石墨化（huà）困难（nán），没（méi）有（yǒu）足够的由石墨化产生的结晶潜热向铸（zhù）型内释（shì）放而（ér）增大了过冷度，石墨来不及析（xī）出就形成了渗（shèn）碳体。此外，球墨铸（zhù）铁孕育衰退快，也是极易发生过冷（lěng）的（de）因素（sù）之一。

2.球墨铸铁无冒口（kǒu）铸造（zào）的条件

从（cóng）球墨（mò）铸铁（tiě）的凝固特点（diǎn）不难看出，球（qiú）墨铸铁件要实现无冒口铸造的（de）难度较大。笔者根据自己（jǐ）多年（nián）的生产实践经验，对球墨铸铁实现无冒口铸造工艺所（suǒ）需（xū）具备的（de）条（tiáo）件作了一（yī）些归纳总结（jié），在此与同行（háng）分享。

2.1铁液成（chéng）分的选择

（1）碳当量（CE）

在同等条件下，微小的石墨在铁液中容易溶解并且不容易（yì）生（shēng）长；随（suí）着石墨长大（dà），石墨的生长速（sù）度也变快，所以使（shǐ）铁液在共（gòng）晶前就产生初生（shēng）石（shí）墨对促进共晶凝固石墨化是非常有利的。过共晶成分的铁液（yè）就（jiù）能满（mǎn）足这（zhè）样的条件，但过高的CE值使石墨（mò）在共晶（jīng）凝固前就长大，长大到一（yī）定尺寸时石墨（mò）开始上浮，产生石墨漂（piāo）浮缺陷。这时，由石墨（mò）化引起的体积膨胀只会造（zào）成铁液液（yè）面上（shàng）升，不但对铸（zhù）件的（de）补缩毫无意义，而且由于石墨在液（yè）态时吸（xī）收（shōu）了大量（liàng）的碳，反而造成在共晶凝固时铁（tiě）液中的（de）w（C）量低不能产生（shēng）足够的共晶（jīng）石墨，也（yě）就不能抵消由于（yú）共（gòng）晶凝固造成的收缩。实践证明，能够将CE值控制（zhì）在4.30%~4.50%是***理想（xiǎng）的（de）。

（2）硅（Si）

一般认为在Fe-C-Si系合金中， Si是石墨化元（yuán）素，w（Si）量高（gāo）有利（lì）于石墨化膨胀，能够减少缩孔的发生。很少有人知道，Si是阻碍共晶凝固石墨化的。所以（yǐ），不（bú）论从（cóng）补（bǔ）缩的角度考虑，还是（shì）从（cóng）防（fáng）止碎块状（zhuàng）石墨产生的（de）角度考虑，只要能通过强（qiáng）化孕育（yù）等措施防止白口产生（shēng），都要（yào）尽可能地降低（dī）w（Si）量（liàng）。

（3）碳（C）

在合理的CE值条件下，尽可能提高（gāo）w（C）量。事实证明球墨铸铁（tiě）的w（C）量（liàng）控制在3.60%~3.70%，铸件具（jù）有***小的收缩率。

（4）硫（S）

S是阻碍石墨球化的主要元素，球化处理的主要（yào）目的（de）就是脱S，但球墨铸铁孕育衰退快与w（S）量（liàng）太低（dī）有直接（jiē）关系（xì）；所以，适（shì）当（dāng）的w（S）量是必要的。可以将w（S）量（liàng）控制在0.015%左右，利用MgS的（de）成（chéng）核作用增（zēng）加（jiā）石（shí）墨核（hé）心质点以增（zēng）加石墨球（qiú）数，减少（shǎo）衰退。

（5）镁（měi）（Mg）

Mg也是阻碍（ài）石墨化的（de）元素，所（suǒ）以在（zài）保证球化率能够达到90%以上的前（qián）提（tí）下，Mg应尽可能低。在原铁液（yè）w（O）、w（S）量不高的条件下（xià），残留w（Mg）量能够（gòu）控制在（zài）0.03%~0.04%是***理想的。

（6）其他（tā）元（yuán）素（sù）

Mn、P、Cr等所（suǒ）有（yǒu）阻（zǔ）碍（ài）石墨化（huà）的元素越低越（yuè）好。

要（yào）注意微量元素的影响，如Ti。当w（Ti）量低（dī）时，是强（qiáng）力促进石墨化元素，同时Ti又是碳化物（wù）形成元素（sù），又是影响（xiǎng）球化（huà）促进蠕虫状（zhuàng）石（shí）墨产生的元素，所以w（Ti）量控制得越低越（yuè）好。笔者公司曾经（jīng）有（yǒu）一个（gè）非（fēi）常（cháng）成熟的无冒口铸造（zào）工艺（yì），由于一时原材料短缺（quē）而使用了w（Ti）量为0.1%的生（shēng）铁，生产出的铸件不但（dàn）表面（miàn）有（yǒu）缩（suō）陷，加（jiā）工后内部也出现（xiàn）了（le）集中型缩孔（kǒng）。

总之，纯净原材料对提高球（qiú）墨铸铁的（de）自补（bǔ）缩能力是有利的。

2.2浇注温度

有实验（yàn）表明，球（qiú）墨铸铁（tiě）的（de）浇注温度从1350℃到1500℃对铸件收缩的体积没有明显的影（yǐng）响，只不过缩孔的形态从集中型逐（zhú）渐向分散型（xíng）过度。石（shí）墨球（qiú）的尺寸（cùn）也随着浇注温度的升高逐渐（jiàn）变大，石墨球的数量逐渐减（jiǎn）少。所以（yǐ）没有必要苛求过低的浇注温度，只要（yào）铸（zhù）型强度（dù）足够抵抗铁液的静压力，浇注温度可以高一些。通过（guò）铁（tiě）液加热铸型减少共晶凝固时的过冷度，使（shǐ）石墨化有充足的时间进行。不过，浇注速度要尽可能地快，以尽量减少（shǎo）型内铁液的温（wēn）度差。

2.3冷铁

根据（jù）笔者使用（yòng）冷（lěng）铁的经验及利用以上（shàng）理（lǐ）论分析，冷铁能（néng）够（gòu）消除缩孔缺陷的说法（fǎ）并不确切。一方面，局部（bù）使用冷铁（tiě）（如打孔部位），只能使缩孔转移而不是消除缩孔；另一方面（miàn），大面积地使用冷铁（tiě）而获得了减少补缩（suō）或无冒（mào）口的效果，只是无意识地增（zēng）加了铸型强（qiáng）度而不是冷铁减少了液体或共晶凝（níng）固收缩。事实上（shàng），如（rú）果冷铁使用过多，影响了石墨球的长大及石墨化的程（chéng）度，相反会加剧收缩（suō）。

2.4铸型强度和刚度

由于球（qiú）铁大都选择共晶或过共晶成分，铁液在铸型中冷却至共晶温度所经过的（de）时间（jiān）较长，也（yě）就是铸（zhù）型所承受的铁（tiě）液静压力的时间要比（bǐ）亚共晶成（chéng）分的灰铸（zhù）铁要（yào）长，铸（zhù）型也（yě）就更容易产（chǎn）生压缩性变形（xíng）。当石墨化（huà）膨胀引起的体积增加（jiā）不能抵（dǐ）消液体收缩+凝固收缩+铸型变形体（tǐ）积时（shí），产生缩孔也（yě）就（jiù）在（zài）所难免。所以，足（zú）够（gòu）的铸型刚度（dù）及抗压强度是（shì）实现无冒口铸造的重要条件，有许多覆砂铁（tiě）型铸造（zào）工（gōng）艺实现无冒（mào）口（kǒu）铸造既是这一理论的证明。

2.5孕育处理

强效孕育（yù）剂及瞬时（shí）延后孕育工（gōng）艺（yì）既能给予铁液大（dà）量的核心（xīn）质点，又能防（fáng）止孕育衰退，能够保证球墨铸铁在共晶凝固（gù）时有足够的（de）石墨球数（shù）；多而小的石（shí）墨球减（jiǎn）少了液体中的C向石墨核心转移的距离，加快（kuài）了（le）石墨（mò）化（huà）速度，短时（shí）内大量（liàng）的（de）共（gòng）晶凝固又能释放出较多（duō）的结晶（jīng）潜热，减少了（le）过（guò）冷（lěng）度，既能防止白口的产生，又能加强石墨化膨胀。因（yīn）而（ér）。强效孕育对提高球墨铸（zhù）铁的（de）自补缩能力（lì）至关（guān）重要。

2.6铁液过滤

铁液经（jīng）过过（guò）滤，滤除（chú）了部分氧化夹（jiá）杂，使铁液的微观流动性增强，可以（yǐ）降（jiàng）低（dī）微观（guān）缩孔的产生几率。

2.7铸件（jiàn）模（mó）数

由于铸（zhù）态珠光体球铁（tiě）需要加入阻碍石墨化（huà）的元（yuán）素，这会影响石墨（mò）化（huà）程（chéng）度，对铸件实现自补缩目的有一定（dìng）影响，所以有资料介绍，无冒（mào）口铸造适用于牌号在QT500以下（xià）的球墨铸铁。除（chú）此之外（wài），由铸件的形状尺寸所决定的模数应在3.1cm以（yǐ）上。

值得注（zhù）意的是（shì），厚度＜50mm的板类铸件实现无冒口（kǒu）铸造是困（kùn）难的（de）。

也有资料介绍，对QT500以上的球墨（mò）铸铁（tiě）实现无冒口（kǒu）铸（zhù）造工（gōng）艺的条件是其（qí）模数应（yīng）大于3.6cm。

3.应用（yòng）实例介绍

3.1大（dà）模数铸件无冒口铸造工艺实例

材（cái）料（liào）牌号为（wéi）GGG70的风电增速器行星支架铸（zhù）件，重（chóng）量为3300kg，轮廓（kuò）尺寸为φ1260×1220mm，铸件模数约为（wéi）5.0cm。铸（zhù）件成分（fèn）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（wéi）1370~1380℃

考虑到铁（tiě）液对铸型下部的压（yā）力较大，容易使铸型（xíng）下部产生（shēng）压缩变形，所以客户（hù）推荐将冷铁（tiě）主要集中放（fàng）置在下（xià）部（如（rú）图1）。根据以往的经验（yàn），开始试制时，我们决（jué）定使用无冒口（kǒu）铸造工艺（yì），也（yě）就是图1去掉冒口的工艺。虽然客户请***人员对所（suǒ）试制（zhì）铸件做超声探伤并未（wèi）发现有内（nèi）部缺陷，解剖结（jié）果也未发（fā）现（xiàn）缩（suō）孔缺陷。但对照其（qí）它（tā）相关资料及客（kè）户提供的参考工（gōng）艺，我们对这么重要的铸件批量生产后一旦（dàn）发生（shēng）缩孔缺陷的后果甚为担（dān）心，所以对图1工（gōng）艺进行了凝固模（mó）拟试验，模拟结果如图2。

图1 推（tuī）荐（jiàn）的冒口补缩工艺

图2 根（gēn）据（jù）图（tú）1工艺的（de）模（mó）拟结果（guǒ）

从模拟结果可见，液态收缩已（yǐ）经将包括内部（bù）的3个Φ140×170mm圆形发热（rè）保温冒口及外侧的3个320×200×320mm腰圆形发热保温冒（mào）口内的铁液全部用尽；因而（ér），我（wǒ）们（men）在原有320×200×320mm发（fā）热保温冒口的上面再加上1个同等大小的（de）冒口，即将冒（mào）口尺寸改为320×200×640mm。但是，浇铸后的结果却是所有（yǒu）冒口一（yī）点（diǎn）收（shōu）缩的痕迹也没有，从而证实了这个铸件完全可以实现无冒口铸造。

3.2小模数铸件有冒口铸造实例（lì）

图3所示的蜂窝板（bǎn）材（cái）料牌号为QT500-7，长（zhǎng）×宽（kuān）×高尺寸为1 230×860×32 mm，铸件模数（shù）M=3.2/2=1.6 cm。

图3 蜂窝板毛（máo）坯图

此铸件模数（shù）远小于3.1cm，显然不适用于无（wú）冒口（kǒu）铸造工艺，但试（shì）制（zhì）时为了提高工艺出（chū）品（pǐn）率，采（cǎi）用了（le）立浇（jiāo）雨淋（lín）式浇口（图4），原（yuán）意是想使铸件（jiàn）在凝固时（shí）产生自上而下的温（wēn）度梯（tī）度，以（yǐ）利用横浇口（kǒu）补缩，但结果却（què）是在铸件（jiàn）的中间部位加（jiā）工后产生了大面积连通性缩孔（图4中（zhōng）双（shuāng）点（diǎn）划线处）。试制4件（jiàn）无一件成品（pǐn）。

图4 试制工（gōng）艺（yì）方（fāng）案（àn）示意图

于是（shì），我们改变（biàn）思路，制定了如图5所示的卧（wò）浇、冷铁加冒口（kǒu）工艺。用冷铁将铸（zhù）件（jiàn）分割成9部分，每部分的中央放置冒口。改进后的工（gōng）艺出品率大（dà）于（yú）75%，产品（pǐn）质量稳定，废品（pǐn）率在（zài）2.0%以下，由于原材料和工艺都较稳定，加（jiā）工后几（jǐ）乎（hū）没有废品。

图5 改进后（hòu）的成熟工艺