球墨鑄鐵凝固特性差異 冒口設(shè)計有特點
一般說來，球墨鑄鐵件產(chǎn)生縮孔、縮松的傾向比灰鑄鐵件大得多，防止收縮缺陷往往是工藝設(shè)計中十分棘手的問題。在這方面，從實際生產(chǎn)中總結(jié)出來的經(jīng)驗很不一致，各有自己的見解：有人認為應(yīng)該遵循順序凝固的原則，在最后凝固的部位放置大冒口，以補充鑄件在凝固過程中產(chǎn)生的體積收縮;有人認為球墨鑄鐵件只需要采用小冒口，有時不用冒口也能生產(chǎn)出健全的鑄件。
球墨鑄鐵
要在確保鑄件質(zhì)量的條件下最大限度地提高工藝出品率，僅僅依靠控制鑄鐵的化學成分是不夠的，必須在了解球墨鑄鐵凝固特性的基礎(chǔ)上，切實控制鑄鐵熔煉、球化處理、孕育處理和澆注作業(yè)的全過程，而且要有效地控制鑄型的剛度。
一、球墨鑄鐵的凝固特性
實際生產(chǎn)中采用的球墨鑄鐵，大多數(shù)都接近共晶成分。厚壁鑄件采用亞共晶成分，薄壁鑄件采用過共晶成分，但偏離共晶成分都不遠。
共晶成分、過共晶成分的球墨鑄鐵，共晶凝固時都是先自液相中析出小石墨球。即使是亞共晶成分的球墨鑄鐵，由于球化處理和孕育處理后鐵液的過冷度增大，也會在遠高于平衡共晶轉(zhuǎn)變溫度的溫度下先析出小石墨球。第一批小石墨球在1300℃甚至更高的溫度下就已形成。
在此后的凝固過程中，隨著溫度的降低，首批小石墨球有的長大，有的再次溶入鐵液，同時也會有新的石墨球析出。石墨球的析出和長大是在一個很寬的溫度范圍內(nèi)進行的。
石墨球長大時，其周圍的鐵液中碳含量降低，就會在石墨球的周圍形成包圍石墨球的奧氏體外殼。奧氏體外殼形成的時間與鑄件在鑄型中的冷卻速率有關(guān)：冷卻速率高，鐵液中的碳來不及擴散均勻，形成奧氏體外殼就較早;冷卻速率低，有利于鐵液中的碳擴散均勻，奧氏體外殼的形成就較晚。
奧氏體外殼形成以前，石墨球直接與碳含量高的鐵液直接接觸，鐵液中的碳易于向石墨球擴散，使石墨球長大。奧氏體外殼形成后，鐵液中的碳向石墨球的擴散受阻，石墨球的長大速度急劇下降。由于自鐵液中析出石墨時釋放的結(jié)晶潛熱多，約3600 J/g，自鐵液中析出奧氏體時釋放的結(jié)晶潛熱少，約200 J/g，在石墨球周圍形成奧氏體外殼、石墨球的長大受阻，就會使結(jié)晶潛熱的釋放顯著減緩。在這種條件下，共晶凝固的進行要靠進一步降低溫度以產(chǎn)生新的晶核。因此，球墨鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變要在頗大的溫度范圍內(nèi)完成，其凝固的溫度范圍是灰鑄鐵的二倍或更多一些，具有典型的糊狀凝固特性。
簡略說來，球墨鑄鐵的凝固特性主要有以下幾方面。
1、凝固溫度范圍寬
從鐵-碳合金的平衡圖看來，在共晶成分附近，凝固的溫度范圍并不寬。實際上，鐵液經(jīng)球化處理和孕育處理后，其凝固過程偏離平衡條件很遠，在共晶轉(zhuǎn)變溫度(1150℃)以上150℃左右，即開始析出石墨球，共晶轉(zhuǎn)變終了的溫度又可能比平衡共晶轉(zhuǎn)變溫度低50℃左右。
凝固溫度范圍這樣寬的合金，以糊狀凝固方式凝固，很難使鑄件實現(xiàn)順序凝固。因此，按鑄鋼件的冒口設(shè)計原則，使鑄件實現(xiàn)順序凝固，在最后凝固的熱節(jié)部位設(shè)置大冒口的工藝方案不是很合適的。
由于在很高的溫度下即有石墨球析出，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，液-固兩相共存的時間很長，鐵液凝固過程中同時發(fā)生液態(tài)收縮和凝固收縮。因此，要像鑄鋼件那樣，通過澆注系統(tǒng)和冒口比較充分地補充液態(tài)收縮也是不太可能的。
2、共晶轉(zhuǎn)變過程中石墨的析出導(dǎo)致體積膨脹
在共晶溫度附近，奧氏體的密度約為7.3g/cm3，石墨的密度約為2.15g/cm3。鑄件凝固過程中，石墨的析出會導(dǎo)致系統(tǒng)的體積膨脹，大約每析出1%(質(zhì)量分數(shù))的石墨可產(chǎn)生3.4%的體積膨脹。
妥善地利用鑄鐵中的石墨化膨脹，可以有效地補償凝固過程中的體積收縮，在一定的條件下，可以不用冒口生產(chǎn)健全的鑄件。
應(yīng)該著重提出的是：灰鑄鐵和球墨鑄鐵都在共晶轉(zhuǎn)變過程中析出石墨、發(fā)生體積膨脹，但是，由于兩種鑄鐵中石墨形態(tài)和長大的機制不同，石墨化膨脹對鑄鐵鑄造性能的影響也很不一樣。
灰鑄鐵共晶團中的片狀石墨，與鐵液直接接觸的尖端優(yōu)先長大，石墨長大所發(fā)生的體積膨脹大部分作用于石墨尖端接觸的鐵液，有利于迫使其填充奧氏體枝間的空隙，從而使鑄件更為致密。
球墨鑄鐵中的石墨，是在奧氏體外殼包圍的條件下長大的，石墨球長大所發(fā)生的體積膨脹主要是通過奧氏體外殼作用在相鄰的共晶團上，有可能將其擠開，使共晶團之間的空隙擴大，也易于通過共晶團作用在鑄型的型壁上，導(dǎo)致型壁運動。
3、鑄件凝固過程中石墨化膨脹易使鑄型發(fā)生型壁運動
球墨鑄鐵以糊狀凝固方式凝固，鑄件開始凝固時，鑄型-金屬界面處的鑄件外表面層就比灰鑄鐵薄得多，而且增長很慢，即使經(jīng)過了較長的時間，表層仍然是強度低、剛度差的薄殼。內(nèi)部發(fā)生石墨化膨脹時，這種外殼不足以耐受膨脹力的作用下，就可能向外移動。如果鑄型的剛度差，就會發(fā)生型壁運動而使型腔脹大。結(jié)果，不僅影響鑄件的尺寸精度，而且石墨化膨脹以后的收縮得不到補充，就會在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生縮孔、縮松之類的缺陷。
4、共晶奧氏體中的碳含量高于灰鑄鐵
據(jù)美國R. W.Heine的研究報告，球墨鑄鐵共晶凝固過程中，奧氏體中的碳含量高于灰鑄鐵中奧氏體的碳含量
灰鑄鐵共晶凝固時，共晶團中的石墨片既與奧氏體接觸，也與碳含量高的鐵液直接接觸，鐵液中的碳，除通過奧氏體向石墨擴散外，也直接向石墨片擴散，因而鐵液-奧氏體界面處奧氏體中的碳含量較低，約為1.55%左右。
球墨鑄鐵共晶凝固時，共晶團中的石墨球只與奧氏體殼接觸，不與鐵液接觸，石墨球長大時，鐵液中的碳都通過奧氏體殼向石墨球擴散，因而，鐵液-奧氏體界面處奧氏體中的碳含量較高，可達到2.15%左右。
球墨鑄鐵共晶凝固時，奧氏體中的碳含量可能較高，在碳含量、硅含量相同的條件下，如保持同樣的冷卻速率，則析出的石墨量較少，因而，共晶凝固時的體積收縮會略大于灰鑄鐵。這也是球墨鑄鐵件較易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷的原因之一。凝固過程中保持較低的冷卻速率，是有利于石墨充分析出的因素。
在能使石墨化充分的條件下，共晶奧氏體中的碳含量(即碳在奧氏體中的最大固溶度)與鑄鐵中的硅含量有關(guān)，一般可按下式計算。
碳在奧氏體中的最大固溶度CE=2.045-0.178 Si
球墨鑄鐵
要在確保鑄件質(zhì)量的條件下最大限度地提高工藝出品率，僅僅依靠控制鑄鐵的化學成分是不夠的，必須在了解球墨鑄鐵凝固特性的基礎(chǔ)上，切實控制鑄鐵熔煉、球化處理、孕育處理和澆注作業(yè)的全過程，而且要有效地控制鑄型的剛度。
一、球墨鑄鐵的凝固特性
實際生產(chǎn)中采用的球墨鑄鐵，大多數(shù)都接近共晶成分。厚壁鑄件采用亞共晶成分，薄壁鑄件采用過共晶成分，但偏離共晶成分都不遠。
共晶成分、過共晶成分的球墨鑄鐵，共晶凝固時都是先自液相中析出小石墨球。即使是亞共晶成分的球墨鑄鐵，由于球化處理和孕育處理后鐵液的過冷度增大，也會在遠高于平衡共晶轉(zhuǎn)變溫度的溫度下先析出小石墨球。第一批小石墨球在1300℃甚至更高的溫度下就已形成。
在此后的凝固過程中，隨著溫度的降低，首批小石墨球有的長大，有的再次溶入鐵液，同時也會有新的石墨球析出。石墨球的析出和長大是在一個很寬的溫度范圍內(nèi)進行的。
石墨球長大時，其周圍的鐵液中碳含量降低，就會在石墨球的周圍形成包圍石墨球的奧氏體外殼。奧氏體外殼形成的時間與鑄件在鑄型中的冷卻速率有關(guān)：冷卻速率高，鐵液中的碳來不及擴散均勻，形成奧氏體外殼就較早;冷卻速率低，有利于鐵液中的碳擴散均勻，奧氏體外殼的形成就較晚。
奧氏體外殼形成以前，石墨球直接與碳含量高的鐵液直接接觸，鐵液中的碳易于向石墨球擴散，使石墨球長大。奧氏體外殼形成后，鐵液中的碳向石墨球的擴散受阻，石墨球的長大速度急劇下降。由于自鐵液中析出石墨時釋放的結(jié)晶潛熱多，約3600 J/g，自鐵液中析出奧氏體時釋放的結(jié)晶潛熱少，約200 J/g，在石墨球周圍形成奧氏體外殼、石墨球的長大受阻，就會使結(jié)晶潛熱的釋放顯著減緩。在這種條件下，共晶凝固的進行要靠進一步降低溫度以產(chǎn)生新的晶核。因此，球墨鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變要在頗大的溫度范圍內(nèi)完成，其凝固的溫度范圍是灰鑄鐵的二倍或更多一些，具有典型的糊狀凝固特性。
簡略說來，球墨鑄鐵的凝固特性主要有以下幾方面。
1、凝固溫度范圍寬
從鐵-碳合金的平衡圖看來，在共晶成分附近，凝固的溫度范圍并不寬。實際上，鐵液經(jīng)球化處理和孕育處理后，其凝固過程偏離平衡條件很遠，在共晶轉(zhuǎn)變溫度(1150℃)以上150℃左右，即開始析出石墨球，共晶轉(zhuǎn)變終了的溫度又可能比平衡共晶轉(zhuǎn)變溫度低50℃左右。
凝固溫度范圍這樣寬的合金，以糊狀凝固方式凝固，很難使鑄件實現(xiàn)順序凝固。因此，按鑄鋼件的冒口設(shè)計原則，使鑄件實現(xiàn)順序凝固，在最后凝固的熱節(jié)部位設(shè)置大冒口的工藝方案不是很合適的。
由于在很高的溫度下即有石墨球析出，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，液-固兩相共存的時間很長，鐵液凝固過程中同時發(fā)生液態(tài)收縮和凝固收縮。因此，要像鑄鋼件那樣，通過澆注系統(tǒng)和冒口比較充分地補充液態(tài)收縮也是不太可能的。
2、共晶轉(zhuǎn)變過程中石墨的析出導(dǎo)致體積膨脹
在共晶溫度附近，奧氏體的密度約為7.3g/cm3，石墨的密度約為2.15g/cm3。鑄件凝固過程中，石墨的析出會導(dǎo)致系統(tǒng)的體積膨脹，大約每析出1%(質(zhì)量分數(shù))的石墨可產(chǎn)生3.4%的體積膨脹。
妥善地利用鑄鐵中的石墨化膨脹，可以有效地補償凝固過程中的體積收縮，在一定的條件下，可以不用冒口生產(chǎn)健全的鑄件。
應(yīng)該著重提出的是：灰鑄鐵和球墨鑄鐵都在共晶轉(zhuǎn)變過程中析出石墨、發(fā)生體積膨脹，但是，由于兩種鑄鐵中石墨形態(tài)和長大的機制不同，石墨化膨脹對鑄鐵鑄造性能的影響也很不一樣。
灰鑄鐵共晶團中的片狀石墨，與鐵液直接接觸的尖端優(yōu)先長大，石墨長大所發(fā)生的體積膨脹大部分作用于石墨尖端接觸的鐵液，有利于迫使其填充奧氏體枝間的空隙，從而使鑄件更為致密。
球墨鑄鐵中的石墨，是在奧氏體外殼包圍的條件下長大的，石墨球長大所發(fā)生的體積膨脹主要是通過奧氏體外殼作用在相鄰的共晶團上，有可能將其擠開，使共晶團之間的空隙擴大，也易于通過共晶團作用在鑄型的型壁上，導(dǎo)致型壁運動。
3、鑄件凝固過程中石墨化膨脹易使鑄型發(fā)生型壁運動
球墨鑄鐵以糊狀凝固方式凝固，鑄件開始凝固時，鑄型-金屬界面處的鑄件外表面層就比灰鑄鐵薄得多，而且增長很慢，即使經(jīng)過了較長的時間，表層仍然是強度低、剛度差的薄殼。內(nèi)部發(fā)生石墨化膨脹時，這種外殼不足以耐受膨脹力的作用下，就可能向外移動。如果鑄型的剛度差，就會發(fā)生型壁運動而使型腔脹大。結(jié)果，不僅影響鑄件的尺寸精度，而且石墨化膨脹以后的收縮得不到補充，就會在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生縮孔、縮松之類的缺陷。
4、共晶奧氏體中的碳含量高于灰鑄鐵
據(jù)美國R. W.Heine的研究報告，球墨鑄鐵共晶凝固過程中，奧氏體中的碳含量高于灰鑄鐵中奧氏體的碳含量
灰鑄鐵共晶凝固時，共晶團中的石墨片既與奧氏體接觸，也與碳含量高的鐵液直接接觸，鐵液中的碳，除通過奧氏體向石墨擴散外，也直接向石墨片擴散，因而鐵液-奧氏體界面處奧氏體中的碳含量較低，約為1.55%左右。
球墨鑄鐵共晶凝固時，共晶團中的石墨球只與奧氏體殼接觸，不與鐵液接觸，石墨球長大時，鐵液中的碳都通過奧氏體殼向石墨球擴散，因而，鐵液-奧氏體界面處奧氏體中的碳含量較高，可達到2.15%左右。
球墨鑄鐵共晶凝固時，奧氏體中的碳含量可能較高，在碳含量、硅含量相同的條件下，如保持同樣的冷卻速率，則析出的石墨量較少，因而，共晶凝固時的體積收縮會略大于灰鑄鐵。這也是球墨鑄鐵件較易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷的原因之一。凝固過程中保持較低的冷卻速率，是有利于石墨充分析出的因素。
在能使石墨化充分的條件下，共晶奧氏體中的碳含量(即碳在奧氏體中的最大固溶度)與鑄鐵中的硅含量有關(guān)，一般可按下式計算。
碳在奧氏體中的最大固溶度CE=2.045-0.178 Si
