球墨鑄鐵無冒口技術(shù)
鑄造鐵合金羅永濤
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**節(jié):球墨鑄鐵無冒口技術(shù)概述
定義：球墨鑄鐵無冒口技術(shù)是指在鑄造過程中不使用冒口，通過優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、采用先進(jìn)的填充方式和控制技術(shù)等手段，實(shí)現(xiàn)金屬液的穩(wěn)定充型和補(bǔ)縮，從而減少或消除冒口的使用。
目的：提高鑄件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程。
第二節(jié):球墨鑄鐵無冒口技術(shù)的實(shí)現(xiàn)條件
高品質(zhì)的鐵液：通過提高冶金品質(zhì)，控制化學(xué)成分，改善球化和孕育處理，降低鐵液含硫量，適當(dāng)提高碳量和碳當(dāng)量，以獲得高品質(zhì)的鐵液。
合理的鑄件模數(shù)：球鐵件的平均模數(shù)應(yīng)在一定數(shù)值以上（如2.5cm），以確保金屬液在凝固過程中的補(bǔ)縮效果。
低溫澆注：澆注溫度需控制在一定范圍內(nèi)（如不超過1380℃），以減少液態(tài)收縮，提高鑄件的致密性。
高強(qiáng)度的鑄型：使用強(qiáng)度高、剛性大的鑄型，并確保鑄型上下箱之間的緊固，防止抬箱，保證鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量。
第三節(jié): 球墨鑄鐵無冒口技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
提高鑄件質(zhì)量：無冒口技術(shù)可以減少傳統(tǒng)鑄造工藝中常見的氣孔、夾渣等缺陷，提高鑄件的整體質(zhì)量。
降低生產(chǎn)成本：由于減少了冒口的使用，節(jié)省了原材料和能源，同時(shí)簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，降低了生產(chǎn)成本。
提高生產(chǎn)效率：無冒口技術(shù)可以縮短生產(chǎn)周期，提高設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率。
優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)：通過精確控制金屬液的流動(dòng)，無冒口鑄造能夠?qū)崿F(xiàn)更加合理的鑄件結(jié)構(gòu)，減少不必要的金屬浪費(fèi)。
第四節(jié):球墨鑄鐵無冒口技術(shù)的應(yīng)用
壓縮機(jī)缸體：在壓縮機(jī)缸體的鑄造過程中，采用無冒口技術(shù)可以取消大量的保溫冒口套的使用，節(jié)約造型工時(shí)、清理工時(shí)和鐵液損耗，同時(shí)提高鑄件的外觀質(zhì)量和力學(xué)性能。
飛輪殼：對(duì)于壁厚差較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的飛輪殼鑄件，采用無冒口技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、高出品率的鑄造生產(chǎn)。通過嚴(yán)格控制鐵液的化學(xué)成分、提高鐵液的流動(dòng)性、降低澆注溫度等措施，成功生產(chǎn)了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)球墨鑄鐵飛輪殼鑄件。
無冒口技術(shù)生產(chǎn)工藝圖
第五節(jié):無冒口工藝的基本原理
無冒口鑄造工藝是利用液態(tài)金屬的流動(dòng)性，通過精確控制澆口和澆注速度，使金屬液能夠均勻地充填鑄型。
在凝固過程中，利用金屬液自身的收縮和石墨化膨脹來補(bǔ)償鑄件的收縮，從而避免傳統(tǒng)鑄造工藝中冒口的使用。
高溫的鐵液澆鑄之后，體積不斷減小，當(dāng)溫度降低到一定之后，球體的體積變化由收縮變?yōu)榕蛎?，在快要凝固終了時(shí)，體積的變化又轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s(二次收縮)。隨后凝固結(jié)束。因此，如果液態(tài)金屬澆鑄時(shí)的體積小于凝固終了時(shí)的體積就有望得到無縮孔的球鐵鑄件。所謂無冒口鑄造，是根據(jù)球鐵在適當(dāng)條件下，從澆鑄完畢到凝固終了所發(fā)生的總收縮量為零這一原理進(jìn)行的。
第六節(jié)，無冒口生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵
1、對(duì)液態(tài)金屬的控制
要生產(chǎn)完好的無冒口鑄件，要求液態(tài)金屬具有良好的石墨化能力和非碳化物形成傾向。為了避免諸如碳化物形成元素或反石墨化元素等有害雜質(zhì)污染，金屬液態(tài)使用有的爐料化學(xué)成分準(zhǔn)確且必須潔凈。各種爐料或回爐料必須嚴(yán)格分類儲(chǔ)存堆放。
2、化學(xué)成分的選擇
成分的選擇是成功獲得無冒口球鐵的關(guān)鍵,必須遵從以下原則:
①得到單一鐵素體鑄態(tài)組織，
②在厚大件中防止出現(xiàn)石墨漂浮
③要消除多余的鎂及其他反石墨化元素。對(duì)于厚大件兒碳當(dāng)量CE=C+1/3SI要控制在4.4以下。熔化過程中，原鐵液中的硅含量要通過加入碳化硅來調(diào)節(jié)，使其加入量控制在1.0~1.2% 范圍內(nèi)。碳化硅是降低碳化物形成的有效添加劑。
無冒口技術(shù)條件的目標(biāo)成分
碳
3.6%
硅
2.6%
錳
0.35%
磷
0.03%
硫
0.02%
鎂
0.045 %
CE
4.6%
3、球化處理過程
過量的鎂處理會(huì)引起收縮或浮渣缺陷。一般選用6一2球化劑沖入法處理，硅鋇孕育劑進(jìn)行一次孕育處理，再使用硅鍶孕育劑進(jìn)行隨流處理。工藝出品率為90%~95%。
4、熔煉溫度的控制
熔煉過程中金屬過熱會(huì)形成碳化物，降低凝固過程的體積膨脹。在熔煉時(shí)1400°C以下的，調(diào)節(jié)原鐵液化學(xué)成分。化學(xué)成分調(diào)節(jié)好后迅速升溫，使溫度達(dá)到出爐溫度所需的溫度后迅速出爐，出爐溫度控制在1500°C左右。
5、澆鑄溫度
由于在厚大件中,浮渣缺陷出現(xiàn)在鑄件的頂部，并形成一個(gè)富集區(qū)，其厚度可以利用裝在鑄件底部的超聲波探傷器來測(cè)量。測(cè)得結(jié)果表明，無冒口的球鐵浮渣區(qū)域厚為250mm，澆鑄溫度越低，浮渣區(qū)越厚。澆鑄溫度不能低于1300°C。
6、球化衰退
衰退了的球鐵增加了碳化物形成傾向，降低了石墨球圓整度。處理后高硅（高CE)的情況在 20分鐘內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)明顯的衰退，而低硅（低CE)的情況下，在5分鐘之內(nèi)就出現(xiàn)了衰退。
7、鑄型的控制
砂型沒有足夠的強(qiáng)度會(huì)引起球鐵的收縮缺陷。采用呋喃樹脂砂型來生產(chǎn)球鐵，鑄件模數(shù)越大，膨脹力越大，直徑為80mm的鑄件**膨脹力為40KGF，無冒口球鐵的最小模數(shù)為2.5cm(直徑大于100mm)，其膨脹力遠(yuǎn)超過呋喃樹脂的正常強(qiáng)度25KGF。因此，對(duì)于無帽口工藝來說，采用剛性砂箱套在砂型外是必須的。
第七節(jié):球鐵飛輪殼的無冒口鑄造工藝
1、工藝分析
1.1、鑄件簡(jiǎn)介
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的飛輪殼毛坯，材質(zhì)是QT450-10，重65kg。該鑄件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，壁厚差比較大，薄的部位為8mm，較厚處達(dá)30mm，多且分散，極易產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷；外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，砂芯制作困難，尺寸難以控制；鑄件采用球墨鑄鐵，極易產(chǎn)生球化不良和夾渣缺陷。
1.2、無冒口工藝的可行性
該鑄件的壁較薄，且壁厚不均勻，要求鑄件表面無氣孔、砂眼等缺陷，內(nèi)部組織致密、無縮孔縮松缺陷，試棒的抗拉強(qiáng)度不得低于QT450-10 的標(biāo)準(zhǔn)。若采用傳統(tǒng)的澆冒口補(bǔ)縮的球墨鑄鐵生產(chǎn)方法，需要補(bǔ)縮的部位多且分散，造成工藝出品率低，而且易出現(xiàn)縮孔縮松等缺陷，無法滿足要求。
鐵液的特性：球墨鑄鐵件，從鐵液澆人鑄型開始，隨鐵液溫度下降就會(huì)產(chǎn)生收縮，稱之為液態(tài)收縮；若凝固時(shí)產(chǎn)生奧氏體，還會(huì)產(chǎn)生凝固收縮；在液態(tài)或凝固時(shí)析出石墨球，由于石墨的密度只有奧氏體的三分之一左右，就會(huì)產(chǎn)生體積膨脹。所以，若液態(tài)降溫時(shí)的體積收縮量與凝固時(shí)的體積收縮量之和小于石墨化膨脹的體積增加量，即可實(shí)現(xiàn)球鐵件的無冒口鑄造生產(chǎn)。
采用高剛度的鑄型，能夠在鐵液的進(jìn)出口凝固封閉后，型腔尺寸保持不變。在不發(fā)生石墨漂浮的前提下，采用盡可能高的碳當(dāng)量，適當(dāng)?shù)脑杏?，確保充分石墨化，**限度地增大石墨化膨脹的體積增加量。
采用多道內(nèi)澆道，使鐵液分散進(jìn)入型腔，并配合冷鐵調(diào)節(jié)，盡可能使鑄件各部位同時(shí)開始、并同步進(jìn)行冷卻和凝固。
大量使用冷鐵，強(qiáng)化鑄件冷卻，使鐵液進(jìn)入型腔后，鑄件外層迅速冷卻、凝固，在內(nèi)澆道及鑄件心部的液態(tài)通道凝固封閉之前提早完成一部分收縮，形成體積空缺，及時(shí)從液態(tài)通道獲取補(bǔ)縮液體，增大內(nèi)澆道的流量（即增大外部補(bǔ)縮量），提高澆注系統(tǒng)的補(bǔ)縮效果。
適當(dāng)降低澆注溫度，減少液態(tài)體積收縮。該鑄件壁較薄，必須增強(qiáng)鐵液的流動(dòng)性。
2、工藝設(shè)計(jì)
2.1、成分分析
為保證鑄造性能，將CE 選擇在共晶成分左右，此時(shí)鐵液的流動(dòng)性能**，形成集中縮孔的傾向大，鑄件組織的致密度高。由于鑄件較薄，CE 過高時(shí)產(chǎn)生石墨漂浮的傾向小，故CE 的選擇在共晶點(diǎn)附近，即4.6%～4.7%（由于球化元素的存在，球鐵的共晶點(diǎn)已移至4.6%～4.8%附近）。
Si 能促進(jìn)石墨化、增加鐵素體含量、細(xì)化石墨、強(qiáng)化基體組織，但Si 提高韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度，降低沖擊韌性。因此，在選定高碳當(dāng)量的前提下應(yīng)采用高C 低Si 的原則，最終確定將Si 含量控制在2.6%～2.8%較合適。
P 含量偏高，使凝固范圍擴(kuò)大，同時(shí)低熔點(diǎn)磷共晶在最后凝固時(shí)得不到補(bǔ)給，并且使鑄件外殼變?nèi)?，因此有增大縮孔、縮松產(chǎn)生的傾向，故P 含量應(yīng)控制在小于0.03%。
RE 殘余量過高會(huì)惡化石墨形狀，降低球化率，因此RE 含量不宜太高。而Mg 又是一個(gè)強(qiáng)烈穩(wěn)定碳化物的元素，阻礙石墨化。殘余Mg 含量及殘余RE 量過高會(huì)增加球鐵的白口傾向，使石墨膨脹減小，另外當(dāng)它們的含量較高時(shí)，會(huì)增加縮孔、縮松傾向，故殘留Mg 含量和RE 含量不宜過高。
最終確定鐵液的成分為：
CE
4.6%～4.8%
C
3.6%—3.8%
Si
2.6%～2.8%
MN
≤0.4%、
P
≤0.03%、
S
≤0.02%、
Mg殘
0.025%～0.040%
RE殘
0.020%～0.030%
2.2、澆注系統(tǒng)
采用無冒口工藝澆注球墨鑄鐵，用盡量低的溫度在盡量短的時(shí)間內(nèi)充滿鑄型，且充型平穩(wěn)。低溫、底注、平穩(wěn)充型是保證球鐵飛輪殼鑄件品質(zhì)的基本條件，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的核心是控制內(nèi)澆道的充型速度。
用了半封閉式澆注系統(tǒng)
ΣF 直：ΣF 橫：ΣF 內(nèi)=1.5:2.0:1.0，
其中橫澆道和內(nèi)澆道一分為四，呈十字形，鐵液由鑄件中部分散注入鑄型，鐵液進(jìn)入鑄型更加均勻。
經(jīng)計(jì)算，
ΣF 直=240px2，
ΣF 橫=430px2，
ΣF 內(nèi)=160px2。
采用中間底注、鐵液分散進(jìn)入型腔，整個(gè)澆注過程中鐵液的流程最短，可縮短澆注時(shí)間，澆注過程中鐵液溫降最小，可以**限度的降低澆注溫度，澆注溫度初步確定為(1,380±10)℃。
2.3、輔助設(shè)計(jì)
由于采用呋喃樹脂自硬砂造型，而樹脂具有一定的發(fā)氣量，為了避免氣孔等缺陷，在鑄件四角處分別設(shè)有出氣孔，用以排氣、集渣，同時(shí)可以改善鐵液的充型狀態(tài)和作為鐵液注滿的標(biāo)志。
3、生產(chǎn)過程
采用呋喃樹脂自硬砂造型、制芯，1t 中頻感應(yīng)電爐熔煉，分兩包澆注，每包6 件，鐵液出爐溫度為1,520～1,540℃，澆注溫度為(1,380±10)℃。
采用FeSi Mg6RE2 球化劑、包內(nèi)沖人，加入量為1.2%。
一次孕育劑為硅鋇：其中Ba3一3.5%，加入量為0.6%。
隨流孕育劑為硅鍶：Sr0.8-1.0%,加入量為0.15%。
鑄件的球化級(jí)別為2級(jí)，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：
C
3.74%
Si
2.65%
Mn
0.35%
P
0.03%
S
0.02%
Mg殘
0.035%
RE殘
0.023%
按以上工藝生產(chǎn)飛輪殼鑄件，經(jīng)機(jī)加工后均未發(fā)現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔等鑄造缺陷，試棒
抗拉強(qiáng)度為
510.6MPa，
伸長(zhǎng)率為
18.4%，
硬度為
HB186，
工藝出品率為
97.5%。
鑄件表面質(zhì)量、力學(xué)性能及內(nèi)在質(zhì)量等均滿足技術(shù)要求。
