球墨鑄鐵凝固過程中的體積變化模式及補(bǔ)縮

球墨鑄鐵凝固過程中的體積變化模式及補(bǔ)縮

由于鑄造球墨水鐵收縮孔和收縮松形成的復(fù)雜性，本文在形成收縮孔和收縮松的機(jī)和防止措施上存在許多矛盾。同時(shí)，我們必須注意球墨水鐵收縮孔和收縮松的缺點(diǎn)，這是鑄造工人一直關(guān)注和研究的問題。球鐵件的補(bǔ)縮方法主要有順序凝固冒口補(bǔ)縮和均衡凝固有限補(bǔ)縮兩種。前者屬于傳統(tǒng)的補(bǔ)縮理論,是經(jīng)過了S.I.Karsay等學(xué)者的實(shí)踐和總結(jié)的;后者是西安理工大學(xué)魏兵教授于20世紀(jì)80年代提出的凝固補(bǔ)縮理論。一些鑄造企業(yè)在選擇和設(shè)計(jì)球墨鑄鐵補(bǔ)縮方法時(shí),大多遵循順序凝固的原則,往往遵照前人的設(shè)計(jì)結(jié)果,對(duì)補(bǔ)縮冒口進(jìn)行一定比例的縮放且偏向于采取大冒口及大冒口頸,圖1a為某廠前輪轂冒口工藝,工藝出品率62%,鑄件法蘭處縮孔廢品達(dá)17%;圖1b為某鑄造廠輸出箱體鑄件冒口工藝,工藝出品率55%,冒口頸根部縮孔高達(dá)50%。工藝出品率低,縮孔、縮松波動(dòng)較大,特別是冒口頸根部縮孔問題成為眾多鑄造企業(yè)最難解決的問題。本文針對(duì)不同生產(chǎn)條件及具體的球墨鑄鐵件的補(bǔ)縮方法進(jìn)行綜合闡述,重點(diǎn)闡述冒口的選擇方法和冒口補(bǔ)縮中的若干關(guān)鍵問題。1球鐵凝固過程中體積變化的計(jì)算方法前人對(duì)球墨鑄鐵合金本身(去除型壁移動(dòng)因素)凝固時(shí)的體積變化做了大量的試驗(yàn)研究。有的采用理論計(jì)算的方法,有的用試驗(yàn)研究的方法。因試驗(yàn)條件及采用的參數(shù)不同,所獲結(jié)果差別很大甚至互相矛盾。一汽錫柴周亙高工在前人的計(jì)算方法和結(jié)果上修正了一些計(jì)算因數(shù),綜合考慮了球墨鑄鐵凝固過程中的各個(gè)階段,提出了新的計(jì)算方法,比較準(zhǔn)確地得出了凝固過程中的體積變化。對(duì)于汽車球鐵件,若(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)3.5%C、2.5%Si,溫度取平衡相圖數(shù)值作為計(jì)算值,澆注溫度一般為1400℃,共晶溫度為1150℃,去除澆注系統(tǒng)內(nèi)降溫50℃,過熱度為200℃,液態(tài)收縮為3.2%,基體金屬凝固收縮為3%,總收縮量為6.2%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石墨化膨脹量3.895%。且不同時(shí)間的收縮和膨脹是不能相抵自補(bǔ)的,石墨化膨脹不可能全部被利用,因此認(rèn)為只要鑄型剛度足夠,球鐵就不會(huì)產(chǎn)生收縮的觀點(diǎn)是不對(duì)的。因此,不管采用何種工藝,球鐵件總是需要補(bǔ)縮的。2球墨鑄鐵制備工藝在設(shè)計(jì)球墨鑄鐵的補(bǔ)縮方法時(shí),應(yīng)本著確保鑄件質(zhì)量、節(jié)能減排、提高工藝出品率及提高生產(chǎn)效率為前提,并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的鑄型條件、工藝條件、鑄件模數(shù)、冶金質(zhì)量等因素加以綜合考慮。S.I.Karsay把球墨鑄鐵液態(tài)冷卻和凝固過程的體積變化分為收縮、膨脹、二次收縮三個(gè)階段。筆者根據(jù)該理論的體積變化模型示意圖繪制圖2所示的球墨鑄鐵補(bǔ)縮方法模型示意圖及圖3所示的球墨鑄鐵冒口選擇圖,結(jié)合通用冒口、控制壓力冒口、全壓力冒口、均衡凝固及無冒口鑄造的補(bǔ)縮方法和冒口選擇方法進(jìn)行分類說明。2.1順序凝固的原則通用冒口的補(bǔ)縮時(shí)間從液態(tài)收縮開始(t0)直到二次收縮結(jié)束(t7),甚至更長(zhǎng)(t8)。通用冒口補(bǔ)縮方法遵循順序凝固的原則,即冒口頸比鑄件晚凝固,冒口又比冒口頸晚凝固,鑄件的液態(tài)體收縮由冒口補(bǔ)給,鑄件進(jìn)入共晶膨脹期把多余的金屬液擠回冒口,依靠金屬液的重力(如果采用大氣壓力冒口,尚有大氣壓力的作用),消除凝固末期的縮松缺陷。適用于任何壁厚的球墨鑄鐵件,對(duì)砂型的強(qiáng)度和剛性無嚴(yán)格要求,適用于各種砂型鑄造。2.2鑄造工藝設(shè)計(jì),確定冒口頸尺寸控制壓力冒口是指澆注結(jié)束后,冒口補(bǔ)給鑄件的液態(tài)收縮,在鑄件發(fā)生共晶膨脹初期冒口頸暢通,可使鑄件內(nèi)部鐵液回填冒口以釋放“壓力”。應(yīng)用合理的冒口頸尺寸,使共晶膨脹未結(jié)束之前冒口頸就適時(shí)凍結(jié)以控制回填程度,或者以一定的暗冒口容積控制回填程度,利用部分共晶膨脹在鑄件內(nèi)建立適度的內(nèi)壓以抵消二次收縮缺陷,使其出于不產(chǎn)生二次收縮缺陷的最小壓力(對(duì)應(yīng)補(bǔ)縮時(shí)間t6)和鑄型脹大的最大壓力之間(對(duì)應(yīng)補(bǔ)縮時(shí)間t5),從而獲得既無縮孔和縮松,又能避免脹大變形的鑄件?？刂茐毫γ翱谶m用于在砂型硬度大于85的軟鑄型中鑄造模數(shù)Mc>0.4cm的球墨鑄鐵件。2.3全壓力冒口適用于產(chǎn)生金屬液壓力的球墨鑄鐵全壓力冒口是利用冒口來補(bǔ)縮鑄件的液態(tài)收縮,而當(dāng)共晶膨脹開始(t3),或者膨脹開始后的短時(shí)間內(nèi)(t4),冒口頸就凝固。這樣,金屬液就不會(huì)因?yàn)楣簿蛎浂祷孛翱趦?nèi),從而使金屬液處于正壓力之下。全壓力冒口適用于高強(qiáng)度鑄型中鑄件模數(shù)<2.5cm的球墨鑄鐵件,要求鑄型剛度可以承受石墨化膨脹壓力,避免由于二次收縮引起的縮松缺陷。當(dāng)鑄件模數(shù)<0.4cm時(shí),因其產(chǎn)生的石墨化膨脹壓力小,即使非剛性鑄型只要足以承受石墨化膨脹產(chǎn)生的壓力,也可以采用全壓力冒口鑄造。此時(shí)由于鑄件模數(shù)小,冒口及冒口頸模數(shù)相應(yīng)也變小,可以按照全壓力冒口頸模數(shù)的計(jì)算方法設(shè)計(jì)內(nèi)澆道,按照全壓力冒口模數(shù)計(jì)算方法設(shè)計(jì)橫澆道和直澆道,即用澆注系統(tǒng)直接補(bǔ)縮鑄件的液態(tài)收縮。2.4自適應(yīng)調(diào)節(jié)作用均衡凝固理論的核心是:冒口既要離開熱節(jié)又要靠近熱節(jié),以減少冒口對(duì)鑄件的熱干擾和利于補(bǔ)縮;冒口頸短、薄、寬是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)作用的3個(gè)條件,同時(shí)指出,提高鑄型剛度,可以提高石墨化膨脹的自補(bǔ)縮利用程度,不使膨脹量消耗于型壁擴(kuò)大。均衡凝固補(bǔ)縮和全壓力冒口補(bǔ)縮時(shí)間都是在大量石墨化膨脹開始或開始不久之時(shí)(全壓力冒口的t3對(duì)應(yīng)均衡凝固的P點(diǎn)),此時(shí)冒口頸及時(shí)凝固,這在補(bǔ)縮時(shí)間上基本相同。2.5剩余膨脹剩余收縮金屬液冷卻到t1之前通過澆注系統(tǒng)進(jìn)行液態(tài)補(bǔ)縮,當(dāng)金屬液冷卻到t1之后,剩余膨脹≥剩余收縮。故無冒口鑄造不是無補(bǔ)縮鑄造,它的補(bǔ)縮原理是最大限度甚至100%地利用石墨化膨脹完成自補(bǔ)縮,澆注系統(tǒng)只是補(bǔ)充自補(bǔ)縮不足的鐵液。無冒口鑄造適用于高強(qiáng)度鑄型中鑄件模數(shù)>2.5cm的球墨鑄鐵件。3球墨鑄造中的一些問題綜上所述,在選擇球墨鑄鐵補(bǔ)縮冒口時(shí)需要考慮很多因素,其設(shè)計(jì)方法可參考文獻(xiàn)?，F(xiàn)就球墨鑄鐵補(bǔ)縮中的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行歸納分析,供討論。3.1冒口頸模數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化鑄件模數(shù)存在兩個(gè)概念:動(dòng)態(tài)的實(shí)際模數(shù)和靜態(tài)的幾何模數(shù)。實(shí)際模數(shù)是決定鑄件、冒口、冒口頸之間凝固順序的關(guān)鍵,是個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程。冒口體是補(bǔ)縮源,又是補(bǔ)縮通道,冒口體不斷向鑄件補(bǔ)充鐵液,造成自身體積的不斷減少而表面積相對(duì)增大,從而使冒口體的模數(shù)隨著補(bǔ)縮過程的持續(xù)而逐漸降低,冒口停止補(bǔ)縮(含鑄件反饋)時(shí)的實(shí)際模數(shù)為MR殘余。冒口頸是連接冒口體和鑄件的通道,冒口體中的高溫鐵液不斷通過冒口頸傳輸給鑄件,由于流通效應(yīng),冒口頸中的鐵液不斷被更新,冒口頸的模數(shù)逐漸增加,冒口頸凝固時(shí)的實(shí)際模數(shù)為MN實(shí)際。鑄件收縮結(jié)束膨脹開始時(shí)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模數(shù)為鑄件的收縮模數(shù)MC收縮,鑄件凝固結(jié)束時(shí)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模數(shù)為MC,也就是鑄件的幾何模數(shù)。這就不難解釋為什么冒口頸的幾何模數(shù)常常設(shè)計(jì)得比鑄件的幾何模數(shù)小。冒口頸的實(shí)際模數(shù)是決定鑄件補(bǔ)縮效果的關(guān)鍵因數(shù)。冒口頸模數(shù)過小,外部補(bǔ)縮不足,鑄件內(nèi)部產(chǎn)生縮孔、縮松(如圖1a)。冒口頸模數(shù)過大,加上接觸熱節(jié)及熱流效應(yīng)的疊加往往使冒口頸根部成為鑄件、鑄件與冒口頸接觸處、冒口頸、冒口中實(shí)際模數(shù)最大的部分,成為整個(gè)體系中最后凝固的部位,即MR殘余<MN根部加大>MC熱節(jié),受先凝固鑄件及冒口的抽吸作用,促使冒口頸根部產(chǎn)生縮孔、縮松(如圖1b)。在某種條件下,安設(shè)在鑄件熱節(jié)處的冒口,在冒口頸模數(shù)不變甚至減小的情況下,按照冒口頸短、薄、寬的均衡凝固理論,減小了接觸熱節(jié),解決了冒口頸根部的縮孔、縮松缺陷。由于冒口頸模數(shù)的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)、接觸熱節(jié)及熱流效應(yīng)的疊加影響,在某種條件下,冒口放在次熱節(jié)上(離開熱節(jié)同時(shí)又靠近熱節(jié)),同樣可以實(shí)現(xiàn)順序凝固的溫度梯度,即薄壁→幾何熱節(jié)→次熱節(jié)→次熱節(jié)處的接觸熱節(jié)→冒口頸→冒口。3.2球墨鑄鐵的自然恢復(fù)機(jī)理鑄件中某個(gè)點(diǎn)的凝固特性是研究鑄件凝固順序的基礎(chǔ)。對(duì)于鑄件中的某個(gè)點(diǎn),先進(jìn)行的是液態(tài)收縮,之后進(jìn)入共晶轉(zhuǎn)變過程發(fā)生凝固收縮和石墨化膨脹,所以對(duì)于鑄件的某個(gè)點(diǎn)收縮總是在前而膨脹總是在后,且收縮總量大于其膨脹總量,球墨鑄鐵由于其離異共晶的特點(diǎn)更是如此,鑄件便是由無數(shù)個(gè)這樣的點(diǎn)組成。為討論鑄件的凝固順序,按照鑄件壁厚將其劃分為若干簡(jiǎn)單的幾何分體,如圖4所示。3.2.1大量石墨化膨脹引起的變形順序凝固是指鑄件按照由表及里、由薄向厚的方向進(jìn)行凝固,冒口安設(shè)在鑄件最后凝固的部位,冒口比冒口頸晚凝固,冒口頸比鑄件晚凝固。如圖4所示,對(duì)于整個(gè)鑄件,壁厚最薄的分體A首先凝固,在大量石墨化膨脹之前(V脹≤V縮,下同),A收縮和膨脹所引起的凈收縮(體積虧損)由冒口→C→B→A的方向提供;大量石墨化膨脹開始后(V脹≥V縮,下同),一部分膨脹抵消其本身的收縮,盈余的膨脹體積通過A→B→C→冒口的方向進(jìn)行反饋。其次是分體B凝固,在大量石墨化膨脹之前,B收縮和膨脹所引起的凈收縮(體積虧損)由冒口→C→B的順序提供,大量石墨化膨脹開始后,一部分膨脹抵消其本身的收縮,盈余的膨脹體積通過B→C→冒口的方向進(jìn)行反饋。壁厚最大的分體C最后凝固,同樣在大量石墨化膨脹之前,C收縮和膨脹所引起的凈收縮(體積虧損)由冒口→C的順序提供,大量石墨化膨脹開始后,一部分膨脹抵消其本身的收縮,盈余的膨脹體積通過C→冒口的方向進(jìn)行反饋。冒口安設(shè)在C處,冒口比C晚凝固。對(duì)于鑄件其中的某個(gè)分體A或B或C,其表層及棱角總是先于其中心區(qū)域凝固,也就是說,鑄件表層和中心區(qū)域之間存在一定的溫度梯度。鑄件表層先進(jìn)行液態(tài)收縮(或凈收縮),從相鄰分體得到材料補(bǔ)給,鐵液保持連續(xù)性,當(dāng)其表層大量石墨化膨脹開始時(shí),鄰近表層區(qū)域還處在液態(tài)或凝固收縮階段,由于鐵液的相通,則表層和棱角的膨脹與鄰近表層區(qū)域正在進(jìn)行的收縮存在一定的疊加相抵,依此類推。在此過程中,若表層膨脹量大于鄰近表層區(qū)域的收縮量,膨脹盈余的體積向相鄰分體反饋,若表層膨脹量小于鄰近表層區(qū)域的收縮量,則依然要從相鄰分體得到材料補(bǔ)給。所以,順序凝固也存在石墨化膨脹的利用和自補(bǔ)縮作用。順序凝固的優(yōu)點(diǎn)是工藝適應(yīng)性強(qiáng),對(duì)鑄型剛度的要求不高。其缺點(diǎn)是對(duì)冒口的補(bǔ)縮效率要求高,冒口必須晚于鑄件凝固,工藝出品率低,鑄件各部位之間溫差大,容易產(chǎn)生裂紋、變形等鑄造缺陷。3.2.2鑄造工藝的驗(yàn)證均衡凝固理論的冒口設(shè)計(jì)是基于對(duì)鑄件均衡段和鑄件收縮模數(shù)的計(jì)算,鑄件均衡段是指鑄件中幾何模數(shù)等于鑄件的收縮模數(shù)的幾何分體。均衡凝固理論指出鑄件的均衡段一般為離開單一結(jié)構(gòu)鑄件幾何熱節(jié)的邊緣部位,并由此提出冒口既要離開熱節(jié)又要靠近熱節(jié),并采用短、薄、寬的冒口頸的補(bǔ)縮方法,以減少冒口對(duì)鑄件的熱干擾,這在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)得到了大量的驗(yàn)證。以圖4所示為例,對(duì)于整個(gè)鑄件而言,為討論問題假設(shè)分體B為該鑄件的均衡段,即分體B的幾何模數(shù)等于該鑄件的收縮模數(shù),冒口安設(shè)在B處。采取薄壁部位保溫及厚大部位激冷等措施,使鑄件各個(gè)分體的凝固時(shí)間接近甚至相等,即各個(gè)分體之間同時(shí)從冒口得到外部補(bǔ)縮。同樣對(duì)于鑄件其中的某個(gè)分體A或B或C,其表層及棱角總是先于鄰近表層區(qū)域凝固,表層和棱角先期產(chǎn)生的液態(tài)收縮及奧氏體枝晶引起的凝固收縮從冒口得到鐵液補(bǔ)給。當(dāng)其表面大量石墨化膨脹開始時(shí),鄰近表層區(qū)域還處在液態(tài)或凝固收縮階段,由于鐵液的相通,則表層和棱角的膨脹與鄰近表層區(qū)域正在進(jìn)行的收縮存在一定的疊加相抵,依此類推,石墨化膨脹被充分利用,冒口只提供自補(bǔ)不足的部分,即有限補(bǔ)縮,冒口不必要晚于鑄件凝固。所以均衡凝固從本質(zhì)上講也是順序凝固,均衡的涵義是指鑄件各分體之間在凝固時(shí)間上趨于一致。均衡凝固的優(yōu)點(diǎn)是鑄件各分體之間溫差小,鑄件的自補(bǔ)縮能力強(qiáng),工藝出品率高,缺點(diǎn)是由于鑄件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性造成的工藝設(shè)計(jì)難度相對(duì)要高,同時(shí)需要鑄型具備較高的剛性以提高自補(bǔ)縮的利用程度。3.2.3鑄件的收縮和膨脹均衡凝固理論的提出有必要對(duì)傳統(tǒng)的同時(shí)凝固理論重新進(jìn)行定義。假設(shè)一種理想的物理模型,鑄件中所有點(diǎn)的冷卻速度完全相同,即所有點(diǎn)的凝固特性相同,鑄件截面無溫度梯度,那么各個(gè)點(diǎn)之間收縮時(shí)間和膨脹時(shí)間均相同,它們之間的收縮和膨脹不存在相互利用的關(guān)系,則鑄件先進(jìn)行液態(tài)收縮出現(xiàn)一定體積虧損,之后鑄件的所有點(diǎn)同時(shí)進(jìn)入膨脹階段。顯然,在軟鑄型條件下,液態(tài)收縮所產(chǎn)生的體積虧損需要外部鐵液的補(bǔ)縮以保持鐵液的連續(xù)性,硬鑄型下,后期的膨脹可以對(duì)前期的體積虧損進(jìn)行一定量的相抵,外部補(bǔ)縮只需要補(bǔ)充相抵不足的部分。這是一種理想的同時(shí)凝固模式,冒口放在鑄件任一位置均不影響鑄件的補(bǔ)縮,這樣的理想模型在實(shí)際鑄造生產(chǎn)中是不可能存在的。3.3球墨鑄鐵凝固過程的補(bǔ)縮通道前文已敘,在一般生產(chǎn)條件下,球墨鑄鐵凝固過程中是收縮大于膨脹的凈收縮過程,這部分凈收縮必須依靠外部提供材料補(bǔ)給。由此可以得出,即使石墨化膨脹被完全利用,球墨鑄鐵在凝固過程中的一定時(shí)期內(nèi)必須具備通暢的補(bǔ)縮通道,以完成由鑄件凈收縮引起的材料運(yùn)輸;球墨鑄鐵由于其離異共晶的特點(diǎn),膨縮分離傾向要比灰鑄鐵大很多,球墨鑄鐵薄壁小件更是如此,前期收縮產(chǎn)生的體積虧損往往比其凈收縮大得多,所以無論是順序凝固還是均衡凝固,只要鑄件需要外部補(bǔ)縮,則鑄件在冷卻、凝固過程中必須存在一定的補(bǔ)縮通道,補(bǔ)縮通道是球墨鑄鐵實(shí)現(xiàn)外部補(bǔ)縮的根本條件,但這并非意味著球墨鑄鐵要求和鑄鋼等純收縮鑄造合金一樣在整個(gè)凝固過程中追求自始至終的補(bǔ)縮通道。大連理工大學(xué)周繼揚(yáng)教授通過彩色金相法按不同條件和不同析出時(shí)期將奧氏體枝晶分為初析枝晶、激冷枝晶、離異枝晶、緩冷枝晶及桿狀枝晶,指出奧氏體枝晶顯著影響球墨鑄鐵的收縮、補(bǔ)縮特性。徐錦鋒等人采用著色腐蝕方法再現(xiàn)高溫下球墨鑄鐵中奧氏體枝晶的形貌特征,得出與上述基本一致的結(jié)論:球墨鑄鐵的初生凝固并不僅僅是初生石墨的析出和長(zhǎng)大,而存在石墨球→奧氏體暈圈→奧氏體樹枝晶的生長(zhǎng)機(jī)制(圖5)。并通過定量金相分析方法,得出在化學(xué)成分、澆注溫度及其它工藝條件不變的情況下,隨鑄件模數(shù)MC減小(壁厚減薄),枝晶數(shù)量增多,枝晶形態(tài)趨于發(fā)達(dá)。球墨鑄鐵薄壁小件冷卻速度快,薄壁處大量的奧氏體枝晶將鑄件劃分為若干孤立的熔池,阻礙外部鐵液的進(jìn)入,即外部鐵液補(bǔ)不進(jìn)。這很好地解釋了球墨鑄鐵薄壁小件縮孔、縮松傾向大的原因,為擴(kuò)大補(bǔ)縮通道,對(duì)于球墨鑄鐵薄壁小件,工藝上常常采取薄壁保溫、加工藝補(bǔ)貼及多點(diǎn)進(jìn)鐵液等措施。鑄件中的某個(gè)點(diǎn)收縮總是在前,膨脹總是在后,收縮與膨脹之間不能相抵。自補(bǔ)縮是利用鑄件截面中不同區(qū)域(某一分體中的由表及里)凝固速度和時(shí)間上的差異,以先凝固區(qū)域的石墨化膨脹抵消相鄰后凝固區(qū)域正在進(jìn)行的收縮。要實(shí)現(xiàn)鑄件截面中不同區(qū)域凝固時(shí)間上的先后關(guān)系,就必須使不同區(qū)域具有不同的冷卻速度(除去化學(xué)成分的不均勻性因素),表現(xiàn)在鑄件斷面上是要存在一定的溫度梯度。溫度梯度越小,截面中各點(diǎn)(或區(qū)域)的凝固特性越接近,自補(bǔ)縮作用越差;反之,溫度梯度越大,自補(bǔ)縮效果越好。所以,溫度梯度是球墨鑄鐵實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮的必要條件。先凝固區(qū)域石墨化膨脹必然要產(chǎn)生一定的膨脹壓力,鑄型剛度越小,膨脹一定程度地消耗在型壁移動(dòng)上降低其利用率;鑄型剛度越大,則膨脹壓力作為反作用力成為自補(bǔ)縮的推動(dòng)力提高膨脹的利用率。所以,鑄型剛度是提高自補(bǔ)縮的充分條件。3.4鑄造熱冒口的設(shè)計(jì)及解決措施一個(gè)鑄件的不同區(qū)域若存在壁厚上的較大差別,在凝固速度小的厚大部位先補(bǔ)縮凝固速度大的薄壁部位,厚大部位加上自身的收縮便會(huì)形成一定的體積虧損。如果厚大部位未設(shè)或不方便設(shè)置熱冒口,鑄型剛度不足以承受先凝固部位的石墨化膨脹壓力,既得不到外部鐵液的補(bǔ)充,也無法利用其他部位的膨脹進(jìn)行自補(bǔ)縮,將在該處形成縮孔、縮松,將這種補(bǔ)縮受到限制的熱節(jié)稱為孤立熱節(jié)。對(duì)于孤立熱節(jié),采用冷冒口是可行的,但要求冷冒口凝固比熱節(jié)部位晚,否則效果適得其反。這就要求其比熱冒口大得多的模數(shù)。筆者公司F-115減速器,熱冒口設(shè)在鑄件底部,鑄件頂部厚大,截面為35mm×42mm,鑄件中間僅為壁厚6mm的薄壁通道(如圖6)。在采取措施前,頂部縮孔、縮松高達(dá)20%左右。后在頂部熱節(jié)處設(shè)置冷冒口進(jìn)行補(bǔ)縮(未安設(shè)冷鐵),冒口頸模數(shù)和冒口模數(shù)按熱冒口模數(shù)的1.4倍計(jì)算,冒口頸擴(kuò)張角朝向冷冒口,縮孔問題反而更嚴(yán)重,縮孔體積增大。后將冒口頸和冒口模數(shù)按熱冒口的2倍計(jì)算(未安設(shè)冷鐵),縮孔得到解決。由此可以得出,冷冒口在一定的模數(shù)以下無補(bǔ)縮作用,且導(dǎo)致熱節(jié)處更加過熱。只有當(dāng)冷冒口頸和冷冒口超過一定的模數(shù)后,晚于熱節(jié)處凝固(實(shí)際上已經(jīng)成為一種偽冷冒口),才具有補(bǔ)縮功能。這樣的補(bǔ)縮方式工藝復(fù)雜(要制備專用的冒口芯子以形成楔形冒口頸),生產(chǎn)成本高,生產(chǎn)效率低,在大批量生產(chǎn)中不推薦使用。解決鑄件孤立熱節(jié)的關(guān)鍵措施是采取激冷措施,加大孤立熱節(jié)處的凝固速度。激冷措施包括使用冷鐵、冷筋冒口、局部下導(dǎo)熱性好的砂芯等。筆者公司生產(chǎn)的康明斯6B排氣管螺栓安裝凸臺(tái)為孤立的厚大部位(圖7a-圖7b),因補(bǔ)縮受到限制形成縮松,后通過在該處設(shè)置直徑10mm的冷筋加速該處的冷卻速度,縮松得到解決。筆者公司小行星支架熱冒口設(shè)置在鑄件頂部,鑄件底部存在補(bǔ)縮受到限制的孤立熱節(jié),該處加工鉆孔后縮松(8a)比例高達(dá)25%而使鑄件報(bào)廢,同樣通過增設(shè)冷筋進(jìn)行局部激冷的辦法得到解決(8b)。文獻(xiàn)指出:在鑄件頂面設(shè)置冷筋冒口(出氣片或出氣棒),當(dāng)其尺寸小到一定程度,先于鑄件凝固,凝固的金屬導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)大于鑄型,會(huì)加快冷筋設(shè)置處鑄件的冷卻速度,起到相當(dāng)于冷鐵的作用,且還具有溢流排氣的作用,稱作冷筋冒口。冷筋冒口澆注完成后其本身也是收縮大于膨脹,所以冷筋冒口并無補(bǔ)縮作用。所有生產(chǎn)實(shí)踐證明,冷筋冒口并非象熱冒口那樣產(chǎn)生穿頂縮孔為鑄件提供材料補(bǔ)給,其本身先于鑄件凝固反而倒抽鑄件中的鐵液,只不過冷筋凝固時(shí)間短,期間由于澆冒系統(tǒng)的通暢未對(duì)鑄件收縮造成影響,所以冷筋的根本作用是激冷,這種方法特別適用于孤立熱節(jié)較小的大批量球鐵件生產(chǎn)中。對(duì)孤立熱節(jié)比較大的鑄件,推薦采用成型縮頸的保溫或發(fā)熱冒口套,并配合冷鐵的方式進(jìn)行局部激冷。3.5球墨鐵件的質(zhì)量分?jǐn)?shù)鐵液的化學(xué)成分、溫度、純凈度是衡量冶金質(zhì)量的三大指標(biāo),對(duì)于球墨鑄鐵件,一般推薦在不出現(xiàn)石墨漂浮的前提下,適當(dāng)提高鐵液中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于降低縮孔、縮松傾向。3.5.1鐵液的回流應(yīng)用在一定范圍內(nèi)提高鐵液溫度能降低鐵液的氧化程度、元素的燒損,并能減少非金屬夾雜物,從而凈化鐵液。一般認(rèn)為,沖天爐熔煉鐵液的臨界過熱溫度為1500~1550℃。感應(yīng)電爐熔煉涉及到平衡溫度、沸騰溫度、臨界溫度和過熱溫度等不同的概念。平衡溫度是決定SiO2+2C=Si+2CO反應(yīng)方向的溫度,大于平衡溫度,反應(yīng)向右進(jìn)行,反之則反應(yīng)向左進(jìn)行。生產(chǎn)中為了保證足夠的沸騰溫度,一般取平衡溫度+50℃,稱為沸騰溫度。此時(shí)鐵液的沸騰,有利于溫度和成分的進(jìn)一步均勻,能驅(qū)除氣體,降低鐵液中的溶解氧量,排出夾雜物等,中頻感應(yīng)爐過熱一般為1500~1550℃。鐵液中眾多氧化夾渣和粘滯性高的物質(zhì)降低鐵液的流動(dòng)性,阻礙鐵液的補(bǔ)縮,同時(shí)使孕育劑大量消耗在脫氧上,從而降低孕育效果,加快孕育衰退。在沖天爐或感應(yīng)電爐內(nèi)加入一定量的碳化硅,利用其在鐵液中一系列的冶金反應(yīng),減輕銹蝕爐料中氧化物的有害影響,有效的凈化鐵液,可以增加鐵液的非平衡石墨,即長(zhǎng)效石墨晶核,改善孕育效果。由陳子華提出的預(yù)處理工藝也在國(guó)內(nèi)一些先進(jìn)的鑄造企業(yè)得到了成功的應(yīng)用:在球化反應(yīng)前,加入Ba系預(yù)處理劑,反應(yīng)產(chǎn)物BaO、BaS作為很好的石墨核心,大幅度增加單位面積的石墨球數(shù),同時(shí)去除鐵液中MgS、