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1、2 0 0 5 中国铸造活动周论文集球墨铸铁缩孔、缩松问题探讨六周亘( 中国第一汽车集团解放汽车有限公司，无锡柴油机分公司，江苏无锡2 1 4 0 2 6 )多年来，国内外对球铁件的缩孔、缩松问题进行了大量的研究，其中，关于球铁的凝固特性和缩孔、缩松形成机理，已有比较统一的看法，目前的焦点问题是：如何正确认识石墨化膨胀? 如何利用石墨化膨胀进行补缩? 以及如何处理外部补缩和自补缩的关系? 本文将回顾笔者所在单位( 原无锡柴油机厂) 近5 0 年来在这方面所做的工作，介绍球铁曲轴、凸轮轴、缸套、齿轮以及铸造性能近似球铁的蠕铁缸盖等长期生产铸件的缩孔、缩松问题的解决过程和经验，并结合对国内外有关试
2、验研究报道、以及近年来国内流行的“均衡凝固技术”的讨论，对上述焦点问题进行理论探讨，以供铸造同行参考。l球墨铸铁件无冒口铸造可行性分析与实践球铁的石墨化膨胀到底有多大? 膨胀能否抵消收缩? 无冒口铸造是否可能? 本节将介绍笔者的实践体会和认识。1 1球铁液态冷却和凝固过程的体积变化球铁件缩松、缩孔的产生与其液态冷却和凝固过程的体积变化密切相关。在已有的报道中，各人的试验方法和条件不同。结果也不同。如CEB a t e s 和B P a t t e r s o n 用P 1 2 7 7 0 1 m m 的圆片状试样进行测试，其中一组试样成分( W B ) 为：3 5 7c ，2 7 8s i ，
3、4 5C E ，0 0 7 5M g ，其c E 值正好为石墨漂浮临界值( 见下文) ，较有代表性，试验结果如图l l 所示，体积变化为：( 先共晶) 膨胀_ 收缩_ ( 共晶) 膨胀_ 收缩。最后结果是有净膨胀0 8 一1 。BPW i n t e r 等人的试验【2 】用黏土砂千型，试样尺寸为p 9 l 2 2 9m m ，铁液成分( W B ) 为：3 5C ，2 5 1 S i ( 4 3 4C E ) ，0 3 2M n ，0 0 0 9S ，0 0 4 9P ，0 0 8 N i ，0 0 5C r ，0 0 3M o ，0 0 2C u ，0 0 3 2M g ；浇注温度为1 3
4、 5 7 。结果发现球铁试样在浇注后体积一直在收缩，其中液态收缩量为2 0 ，凝固收缩量为2 7 ， 如图l 一2 所示。5絮4 誊，2l学0 1 、 萋_怠旃 一6 _ 。温发ji12 面11 0 010 0 0网I - l 球捷在I2 5 0 至1 0 5 0 的体积变化时阐n a n围1 - 2l3 5 7 竞注的球铁的体积欢培文献【l 】的试样始冷温度只有1 2 5 0 ，而一般铸件的正常浇注温度是1 3 5 0 左右，过热度增加1 0 0q C ，液态收缩增加1 6 一1 8 ( 按文献【l 】、【5 】，每1 0 0 0 C 过热的液态收缩分别为1 6 或1 8 ，按文献【2 】的
5、测量数据推算约为1 6 9 ) 。如果加上这部分液态收缩，再考虑到文献【l 】作者的声明：由于试样凝固后顶面不平整，导致测得的膨胀量偏大，而且试样内部还可能有显微缩松，图l 一1 中体积变化的最终结果就不是膨胀了。在文献 2 】的试验中，收缩始终大于膨胀，这可能是由于试样尺寸较大，冷速慢，石墨形核速度相对较4 52 0 0 5 中国铸造活动周论文集慢，C E 也较低，故液相中析出( 共晶凝固前析出) 的石墨核心数量和石墨析出量较少的缘故。由于铸件的凝固实际上都是不平衡凝固，平衡相图不适合实际铸件的凝固分析。为此，R w H e i n e建立了更切合铸铁件实际凝固情况的铸铁凝固相图，并用该相图
6、对铸铁凝固过程的体积变化重新进行计算f 3 l ，结果认为灰铁和球铁凝固都可能膨胀或收缩，取决于工艺条件和冶金条件。而在典型的铸造工艺条件和铸件尺寸下，多半情况是灰铁膨胀，球铁收缩。其中含2 4 S i ，3 5 和3 7 c 的灰铸铁在1 1 5 5 ( 共晶凝固温度) 凝固时，体积膨胀分别为0 1 7 和0 7 1 ；同样成分的球铁在1 1 5 5 凝固时，体积收缩分别为1 8 5 和1 3 5 ；后者如果再加上1 1 3 5 0 _ + 1 1 5 5 的液态收缩( 3 1 2 ，3 5 1 ) ，收缩量就相当大了。实际生产中，灰铸铁的C 、s i 量要比上述数值低得多，加上液态收缩其凝
7、固结果实际上也是收缩。上述分析说明，球铁和灰铸铁液态冷却和凝固过程体积变化的实际结果都是收缩。至于有些报道说：实测膨胀量比按铁水密度和石墨密度差计算的结果大，这可能是铸件在凝固过程中产生体积膨胀的原因是多方面的：除了石墨化膨胀之外，铸型材料膨胀和气体含量高都会引起铸件膨胀；此外，如上所述，测量误差、共晶团之间的显微缩松等也可能引起测量结果偏大。1 2型腔尺寸在铸件浇注和冷却过程中的变化型腔尺寸在铸件浇注和冷却过程中的变化是影响缩松形成的另一个重要因素。文献( 4 的作者对铸铁金属型和湿砂型的型腔尺寸变化进行了测量，并同步测绘了铸件的冷却曲线，结果是：金属型在浇注过程中，型腔迅速扩大，但此时铁液
8、可以补充进入型腔，故这部分型腔扩大对缩松形成不会有影响。浇注结束时，型腔扩大即停止并转为持续向内缩小，显然对减少缩松有利。湿砂型在浇注开始之后，型腔迅速扩大，而后仍以减速度继续不断地扩大，直至共晶凝固结束为止，显然会增大铸件缩松倾向。文献【2 】的试验对干砂型的尺寸变化的测量结果是：从浇注结束到共晶凝固初期，型腔迅速扩大，而后直保持不变，直至凝固结束时，型腔略微缩小，这种变化对防止缩松也是比较有利的。由于各种铸型的型腔尺寸在浇注过程中就已发生变化，因而用浇注前的型腔尺寸或模样尺寸与铸件尺寸比较来判断铸件外形胀大与否是不准确的。所谓“高刚度铸型”，应当是指型腔的铁液进出口凝固封闭后，型腔尺寸保持
9、不变或缩小的铸型。I 3球铁件无冒口铸造可行性论证C R e n o l d 等人 S l 最早用计算方法进行论证：假设铁液过热温度为2 3 2 ，按液态体缩率1 6 I t ) 0 0 C 计算，液态收缩量为3 7 5 ；凝固体收缩率按无石墨化的钢的数据为3 ；体积收缩总量为6 7 5 。他们认为每1 的碳石墨化能使体积增加3 5 ，因此只需要6 7 5 3 5 = 1 9 3 的碳石墨化就可以抵消收缩。假如球铁含3 5 C ，2 5 S i ，就有2 5 的碳以石墨碳形式析出，还有0 6 多余。因而认为“只要铸型刚度足够，就不会产生缩松”。文献 4 ，6 】认为上述计算中的石墨化膨胀量和过
10、热温度两个数据取得不当，主张前者采用文献【7 】的数据2 。这是根据F e 3 C 分解变成石墨计算得到的。过热温度按当时( 上世纪6 0 年代) 国内一般工厂的浇注温度上限1 3 0 0 ，以及球铁共晶凝固温度11 5 0 0 C 计算，只有1 5 0o C ，扣除铁液在浇注系统流动过程中的温降约5 0 ，实际为1 0 0 ，总收缩量为4 6 ，需要有效石墨碳量为2 3 ，仍旧少于2 5 。因而仍然赞同文献【5 】的结论。文献【8 】认为，石墨并非由F e 3 C 析出，而是直接由铁液析出，故不应采用文献【7 】的推算方法。他们根据灰铸铁( 3 6 5 c ，2 7 S i ) 的液态和固态
11、密度的测量值进行推算得到每析出1 石墨的体积膨胀量为2 0 2 “2 。结果仍与文 7 1 演相近。按此膨胀率，笔者计算如下：根据文献【9 】含S i 量为2 5 的铸铁，共晶奥氏体含碳量约为1 5 4 ；而根据文献【1 0 1 则为1 6 。据此，文献【4 6 】所用成分( 3 5 c ，2 5 S i ) 的石墨碳析出量只有3 5 一( 1 5 4 1 6 ) = 1 9 一1 9 6 ，膨胀量只有3 8 一3 9 2 ( 如果按照【3 】计算，膨胀量还要少) 。为了防止夹渣、皮下气孔，国内从上世纪8 0 年代始，通过采用铸造焦熔2 0 0 5 中国铸造活动周论文集炼和感应炉双联，浇注温度
12、一般都提高到1 3 5 0 以上，参照文献【4 、6 】的估计，扣除浇注系统内温降5 0 。C ( 其实这部分温降也产生收缩，只不过在浇注过程中已即时得到弥补而已。严格地说，在分析球铁的自补缩能力时，此温度降不应扣除) ，过热度为1 5 0 ，液态收缩为2 4 。2 7 ，加上凝固收缩3 ，总收缩量为5 4 一5 7 ，显然不可能全部由石墨化膨胀抵消。因此，不管采用何种工艺，球铁件总是需要补缩的。下面将用实例证明。1 4无冒口铸造实践为了验证元冒口铸造的可行性，早在1 9 6 3 年，锡柴就与西安交大合作，对4 A 1 1 0 柴油机球铁曲轴( 4缸，P9 0 r a m ，7 7 5 k g
13、 ) 采用无冒口工艺铸造系统地进行了试验研究t t ：1 ( 图l 一3 ) 。紧接着，锡柴又在1 9 6 4 1 9 6 5 年单独进行了道奇T 一2 3 4 型汽车球铁曲轴( 6 缸p 7 0 m m ，7 0 k g ) 无冒口铸造试验和小批量生产1 1 3 1 ( 图l 一4 ) 。这是国内、外最早的球铁曲轴元冒1 2 1 铸造试验研究和小批生产。之后，上世纪7 0 年代，无冒口工艺又用于3 0 0 系列大型柴油机飞轮生产。1 9 9 3 年，6 3 0 0 Z C 曲轴( 外径p2 2 0m m ，内径t p 7 0 m m ，1 5 0 0 k g ) 采用干型无冒口工艺试验再次获
14、得成功m 1 ( 图l 一5 ) 。丑 I 一34 A 1 1 0 型球技雌轴无冒口辞造试验幕后确定二艺( 浇 注孽量1 6 5k g ，拔譬浇口杯浇注洗注时间l O 一1 25 )图l 一56 3 ( X I Z I ：球铁曲轴无冒口铸造试验O t i k - r - 艺( 浇注 重量l6 0 0k g ，浇注时闻1 8 2 0 $ )通过对4 A 11 0 和T 一2 3 4 曲轴逐层铣切解剖，并在剖面上进行磁力探伤检查，6 3 0 0 Z C 曲轴采用表面磁探和内部超探，证实球铁曲轴采用无冒口工艺铸造是可能的，但并非如同文献【5 】的推测，只要碳当量和铸型刚度高就可以了。必须全面具备下列
15、条件：( 1 ) 采用高刚度的铸型，防止铸件在凝固期间胀大( 我们采用的是高紧实度的黏土砂干型) 。( 2 ) 采用尽可能高的碳当量( 3 6 一3 8 C ，2 4 一2 6 S i ，4 3 。4 5 C E ) ，适当的孕育，确保充分石墨化。( 3 ) 采用多道内浇道分散进铁，并用冷铁调节配合，尽可能使铸件各部分同时开始、并同步进行冷却和凝固。内浇道的设计宜采用薄宽形或三角形，确保它们能在浇注后较快凝固，防止石墨化膨胀压力松弛( 内浇道凝固早，石墨化膨胀利用率高，但液态补缩时间短，补缩量小；反之膨胀利用率低，补缩量大) 。( 4 ) 大量使用冷铁，强化铸型冷却，使铁液进入型腔后迅速冷却、凝固，在内浇道凝固封闭之前提早完成二部分液态和固态收缩，形成体积空缺( 因为收缩大于膨胀) ，增大内浇道的进铁量，提高其补缩效果，并使铸件外层提早凝固结壳，防止铸件胀大。经过多次调整后，每根4 A 1 1 0 曲轴的冷铁用量多达4 7 k g ，冷铁铸件熏量比为6 0 ；道奇曲轴相应为4 0 5 k g 和5 8 。( 5 ) 尽可能降低浇注温度，减少液态收缩( 浇注温度越高，冷铁需用量越大) 。试验和小批生产证明，球铁的碳当量较高，有较大的石墨化膨胀量，但在正常的浇注温度下，并不足4 72 0 0 5 中国铸造活动周论文集以完全抵消液态和凝固收缩，因而在无冒I = i 条件下，必须充
