球墨铸铁凝固过程中的体积变化模式及补缩

球墨铸铁凝固过程中的体积变化模式及补缩

由于铸造球墨水铁收缩孔和收缩松形成的复杂性，本文在形成收缩孔和收缩松的机和防止措施上存在许多矛盾。同时，我们必须注意球墨水铁收缩孔和收缩松的缺点，这是铸造工人一直关注和研究的问题。球铁件的补缩方法主要有顺序凝固冒口补缩和均衡凝固有限补缩两种。前者属于传统的补缩理论,是经过了S.I.Karsay等学者的实践和总结的;后者是西安理工大学魏兵教授于20世纪80年代提出的凝固补缩理论。一些铸造企业在选择和设计球墨铸铁补缩方法时,大多遵循顺序凝固的原则,往往遵照前人的设计结果,对补缩冒口进行一定比例的缩放且偏向于采取大冒口及大冒口颈,图1a为某厂前轮毂冒口工艺,工艺出品率62%,铸件法兰处缩孔废品达17%;图1b为某铸造厂输出箱体铸件冒口工艺,工艺出品率55%,冒口颈根部缩孔高达50%。工艺出品率低,缩孔、缩松波动较大,特别是冒口颈根部缩孔问题成为众多铸造企业最难解决的问题。本文针对不同生产条件及具体的球墨铸铁件的补缩方法进行综合阐述,重点阐述冒口的选择方法和冒口补缩中的若干关键问题。1球铁凝固过程中体积变化的计算方法前人对球墨铸铁合金本身(去除型壁移动因素)凝固时的体积变化做了大量的试验研究。有的采用理论计算的方法,有的用试验研究的方法。因试验条件及采用的参数不同,所获结果差别很大甚至互相矛盾。一汽锡柴周亘高工在前人的计算方法和结果上修正了一些计算因数,综合考虑了球墨铸铁凝固过程中的各个阶段,提出了新的计算方法,比较准确地得出了凝固过程中的体积变化。对于汽车球铁件,若(质量分数,下同)3.5%C、2.5%Si,温度取平衡相图数值作为计算值,浇注温度一般为1400℃,共晶温度为1150℃,去除浇注系统内降温50℃,过热度为200℃,液态收缩为3.2%,基体金属凝固收缩为3%,总收缩量为6.2%,远远大于石墨化膨胀量3.895%。且不同时间的收缩和膨胀是不能相抵自补的,石墨化膨胀不可能全部被利用,因此认为只要铸型刚度足够,球铁就不会产生收缩的观点是不对的。因此,不管采用何种工艺,球铁件总是需要补缩的。2球墨铸铁制备工艺在设计球墨铸铁的补缩方法时,应本着确保铸件质量、节能减排、提高工艺出品率及提高生产效率为前提,并结合实际生产中的铸型条件、工艺条件、铸件模数、冶金质量等因素加以综合考虑。S.I.Karsay把球墨铸铁液态冷却和凝固过程的体积变化分为收缩、膨胀、二次收缩三个阶段。笔者根据该理论的体积变化模型示意图绘制图2所示的球墨铸铁补缩方法模型示意图及图3所示的球墨铸铁冒口选择图,结合通用冒口、控制压力冒口、全压力冒口、均衡凝固及无冒口铸造的补缩方法和冒口选择方法进行分类说明。2.1顺序凝固的原则通用冒口的补缩时间从液态收缩开始(t0)直到二次收缩结束(t7),甚至更长(t8)。通用冒口补缩方法遵循顺序凝固的原则,即冒口颈比铸件晚凝固,冒口又比冒口颈晚凝固,铸件的液态体收缩由冒口补给,铸件进入共晶膨胀期把多余的金属液挤回冒口,依靠金属液的重力(如果采用大气压力冒口,尚有大气压力的作用),消除凝固末期的缩松缺陷。适用于任何壁厚的球墨铸铁件,对砂型的强度和刚性无严格要求,适用于各种砂型铸造。2.2铸造工艺设计,确定冒口颈尺寸控制压力冒口是指浇注结束后,冒口补给铸件的液态收缩,在铸件发生共晶膨胀初期冒口颈畅通,可使铸件内部铁液回填冒口以释放“压力”。应用合理的冒口颈尺寸,使共晶膨胀未结束之前冒口颈就适时冻结以控制回填程度,或者以一定的暗冒口容积控制回填程度,利用部分共晶膨胀在铸件内建立适度的内压以抵消二次收缩缺陷,使其出于不产生二次收缩缺陷的最小压力(对应补缩时间t6)和铸型胀大的最大压力之间(对应补缩时间t5),从而获得既无缩孔和缩松,又能避免胀大变形的铸件。控制压力冒口适用于在砂型硬度大于85的软铸型中铸造模数Mc>0.4cm的球墨铸铁件。2.3全压力冒口适用于产生金属液压力的球墨铸铁全压力冒口是利用冒口来补缩铸件的液态收缩,而当共晶膨胀开始(t3),或者膨胀开始后的短时间内(t4),冒口颈就凝固。这样,金属液就不会因为共晶膨胀而返回冒口内,从而使金属液处于正压力之下。全压力冒口适用于高强度铸型中铸件模数<2.5cm的球墨铸铁件,要求铸型刚度可以承受石墨化膨胀压力,避免由于二次收缩引起的缩松缺陷。当铸件模数<0.4cm时,因其产生的石墨化膨胀压力小,即使非刚性铸型只要足以承受石墨化膨胀产生的压力,也可以采用全压力冒口铸造。此时由于铸件模数小,冒口及冒口颈模数相应也变小,可以按照全压力冒口颈模数的计算方法设计内浇道,按照全压力冒口模数计算方法设计横浇道和直浇道,即用浇注系统直接补缩铸件的液态收缩。2.4自适应调节作用均衡凝固理论的核心是:冒口既要离开热节又要靠近热节,以减少冒口对铸件的热干扰和利于补缩;冒口颈短、薄、宽是实现自适应调节作用的3个条件,同时指出,提高铸型刚度,可以提高石墨化膨胀的自补缩利用程度,不使膨胀量消耗于型壁扩大。均衡凝固补缩和全压力冒口补缩时间都是在大量石墨化膨胀开始或开始不久之时(全压力冒口的t3对应均衡凝固的P点),此时冒口颈及时凝固,这在补缩时间上基本相同。2.5剩余膨胀剩余收缩金属液冷却到t1之前通过浇注系统进行液态补缩,当金属液冷却到t1之后,剩余膨胀≥剩余收缩。故无冒口铸造不是无补缩铸造,它的补缩原理是最大限度甚至100%地利用石墨化膨胀完成自补缩,浇注系统只是补充自补缩不足的铁液。无冒口铸造适用于高强度铸型中铸件模数>2.5cm的球墨铸铁件。3球墨铸造中的一些问题综上所述,在选择球墨铸铁补缩冒口时需要考虑很多因素,其设计方法可参考文献。现就球墨铸铁补缩中的几个关键问题进行归纳分析,供讨论。3.1冒口颈模数设计及优化铸件模数存在两个概念:动态的实际模数和静态的几何模数。实际模数是决定铸件、冒口、冒口颈之间凝固顺序的关键,是个动态的变化过程。冒口体是补缩源,又是补缩通道,冒口体不断向铸件补充铁液,造成自身体积的不断减少而表面积相对增大,从而使冒口体的模数随着补缩过程的持续而逐渐降低,冒口停止补缩(含铸件反馈)时的实际模数为MR残余。冒口颈是连接冒口体和铸件的通道,冒口体中的高温铁液不断通过冒口颈传输给铸件,由于流通效应,冒口颈中的铁液不断被更新,冒口颈的模数逐渐增加,冒口颈凝固时的实际模数为MN实际。铸件收缩结束膨胀开始时所对应的实际模数为铸件的收缩模数MC收缩,铸件凝固结束时所对应的实际模数为MC,也就是铸件的几何模数。这就不难解释为什么冒口颈的几何模数常常设计得比铸件的几何模数小。冒口颈的实际模数是决定铸件补缩效果的关键因数。冒口颈模数过小,外部补缩不足,铸件内部产生缩孔、缩松(如图1a)。冒口颈模数过大,加上接触热节及热流效应的叠加往往使冒口颈根部成为铸件、铸件与冒口颈接触处、冒口颈、冒口中实际模数最大的部分,成为整个体系中最后凝固的部位,即MR残余<MN根部加大>MC热节,受先凝固铸件及冒口的抽吸作用,促使冒口颈根部产生缩孔、缩松(如图1b)。在某种条件下,安设在铸件热节处的冒口,在冒口颈模数不变甚至减小的情况下,按照冒口颈短、薄、宽的均衡凝固理论,减小了接触热节,解决了冒口颈根部的缩孔、缩松缺陷。由于冒口颈模数的动态增长、接触热节及热流效应的叠加影响,在某种条件下,冒口放在次热节上(离开热节同时又靠近热节),同样可以实现顺序凝固的温度梯度,即薄壁→几何热节→次热节→次热节处的接触热节→冒口颈→冒口。3.2球墨铸铁的自然恢复机理铸件中某个点的凝固特性是研究铸件凝固顺序的基础。对于铸件中的某个点,先进行的是液态收缩,之后进入共晶转变过程发生凝固收缩和石墨化膨胀,所以对于铸件的某个点收缩总是在前而膨胀总是在后,且收缩总量大于其膨胀总量,球墨铸铁由于其离异共晶的特点更是如此,铸件便是由无数个这样的点组成。为讨论铸件的凝固顺序,按照铸件壁厚将其划分为若干简单的几何分体,如图4所示。3.2.1大量石墨化膨胀引起的变形顺序凝固是指铸件按照由表及里、由薄向厚的方向进行凝固,冒口安设在铸件最后凝固的部位,冒口比冒口颈晚凝固,冒口颈比铸件晚凝固。如图4所示,对于整个铸件,壁厚最薄的分体A首先凝固,在大量石墨化膨胀之前(V胀≤V缩,下同),A收缩和膨胀所引起的净收缩(体积亏损)由冒口→C→B→A的方向提供;大量石墨化膨胀开始后(V胀≥V缩,下同),一部分膨胀抵消其本身的收缩,盈余的膨胀体积通过A→B→C→冒口的方向进行反馈。其次是分体B凝固,在大量石墨化膨胀之前,B收缩和膨胀所引起的净收缩(体积亏损)由冒口→C→B的顺序提供,大量石墨化膨胀开始后,一部分膨胀抵消其本身的收缩,盈余的膨胀体积通过B→C→冒口的方向进行反馈。壁厚最大的分体C最后凝固,同样在大量石墨化膨胀之前,C收缩和膨胀所引起的净收缩(体积亏损)由冒口→C的顺序提供,大量石墨化膨胀开始后,一部分膨胀抵消其本身的收缩,盈余的膨胀体积通过C→冒口的方向进行反馈。冒口安设在C处,冒口比C晚凝固。对于铸件其中的某个分体A或B或C,其表层及棱角总是先于其中心区域凝固,也就是说,铸件表层和中心区域之间存在一定的温度梯度。铸件表层先进行液态收缩(或净收缩),从相邻分体得到材料补给,铁液保持连续性,当其表层大量石墨化膨胀开始时,邻近表层区域还处在液态或凝固收缩阶段,由于铁液的相通,则表层和棱角的膨胀与邻近表层区域正在进行的收缩存在一定的叠加相抵,依此类推。在此过程中,若表层膨胀量大于邻近表层区域的收缩量,膨胀盈余的体积向相邻分体反馈,若表层膨胀量小于邻近表层区域的收缩量,则依然要从相邻分体得到材料补给。所以,顺序凝固也存在石墨化膨胀的利用和自补缩作用。顺序凝固的优点是工艺适应性强,对铸型刚度的要求不高。其缺点是对冒口的补缩效率要求高,冒口必须晚于铸件凝固,工艺出品率低,铸件各部位之间温差大,容易产生裂纹、变形等铸造缺陷。3.2.2铸造工艺的验证均衡凝固理论的冒口设计是基于对铸件均衡段和铸件收缩模数的计算,铸件均衡段是指铸件中几何模数等于铸件的收缩模数的几何分体。均衡凝固理论指出铸件的均衡段一般为离开单一结构铸件几何热节的边缘部位,并由此提出冒口既要离开热节又要靠近热节,并采用短、薄、宽的冒口颈的补缩方法,以减少冒口对铸件的热干扰,这在实际生产中已经得到了大量的验证。以图4所示为例,对于整个铸件而言,为讨论问题假设分体B为该铸件的均衡段,即分体B的几何模数等于该铸件的收缩模数,冒口安设在B处。采取薄壁部位保温及厚大部位激冷等措施,使铸件各个分体的凝固时间接近甚至相等,即各个分体之间同时从冒口得到外部补缩。同样对于铸件其中的某个分体A或B或C,其表层及棱角总是先于邻近表层区域凝固,表层和棱角先期产生的液态收缩及奥氏体枝晶引起的凝固收缩从冒口得到铁液补给。当其表面大量石墨化膨胀开始时,邻近表层区域还处在液态或凝固收缩阶段,由于铁液的相通,则表层和棱角的膨胀与邻近表层区域正在进行的收缩存在一定的叠加相抵,依此类推,石墨化膨胀被充分利用,冒口只提供自补不足的部分,即有限补缩,冒口不必要晚于铸件凝固。所以均衡凝固从本质上讲也是顺序凝固,均衡的涵义是指铸件各分体之间在凝固时间上趋于一致。均衡凝固的优点是铸件各分体之间温差小,铸件的自补缩能力强,工艺出品率高,缺点是由于铸件结构的复杂性造成的工艺设计难度相对要高,同时需要铸型具备较高的刚性以提高自补缩的利用程度。3.2.3铸件的收缩和膨胀均衡凝固理论的提出有必要对传统的同时凝固理论重新进行定义。假设一种理想的物理模型,铸件中所有点的冷却速度完全相同,即所有点的凝固特性相同,铸件截面无温度梯度,那么各个点之间收缩时间和膨胀时间均相同,它们之间的收缩和膨胀不存在相互利用的关系,则铸件先进行液态收缩出现一定体积亏损,之后铸件的所有点同时进入膨胀阶段。显然,在软铸型条件下,液态收缩所产生的体积亏损需要外部铁液的补缩以保持铁液的连续性,硬铸型下,后期的膨胀可以对前期的体积亏损进行一定量的相抵,外部补缩只需要补充相抵不足的部分。这是一种理想的同时凝固模式,冒口放在铸件任一位置均不影响铸件的补缩,这样的理想模型在实际铸造生产中是不可能存在的。3.3球墨铸铁凝固过程的补缩通道前文已叙,在一般生产条件下,球墨铸铁凝固过程中是收缩大于膨胀的净收缩过程,这部分净收缩必须依靠外部提供材料补给。由此可以得出,即使石墨化膨胀被完全利用,球墨铸铁在凝固过程中的一定时期内必须具备通畅的补缩通道,以完成由铸件净收缩引起的材料运输;球墨铸铁由于其离异共晶的特点,膨缩分离倾向要比灰铸铁大很多,球墨铸铁薄壁小件更是如此,前期收缩产生的体积亏损往往比其净收缩大得多,所以无论是顺序凝固还是均衡凝固,只要铸件需要外部补缩,则铸件在冷却、凝固过程中必须存在一定的补缩通道,补缩通道是球墨铸铁实现外部补缩的根本条件,但这并非意味着球墨铸铁要求和铸钢等纯收缩铸造合金一样在整个凝固过程中追求自始至终的补缩通道。大连理工大学周继扬教授通过彩色金相法按不同条件和不同析出时期将奥氏体枝晶分为初析枝晶、激冷枝晶、离异枝晶、缓冷枝晶及杆状枝晶,指出奥氏体枝晶显著影响球墨铸铁的收缩、补缩特性。徐锦锋等人采用着色腐蚀方法再现高温下球墨铸铁中奥氏体枝晶的形貌特征,得出与上述基本一致的结论:球墨铸铁的初生凝固并不仅仅是初生石墨的析出和长大,而存在石墨球→奥氏体晕圈→奥氏体树枝晶的生长机制(图5)。并通过定量金相分析方法,得出在化学成分、浇注温度及其它工艺条件不变的情况下,随铸件模数MC减小(壁厚减薄),枝晶数量增多,枝晶形态趋于发达。球墨铸铁薄壁小件冷却速度快,薄壁处大量的奥氏体枝晶将铸件划分为若干孤立的熔池,阻碍外部铁液的进入,即外部铁液补不进。这很好地解释了球墨铸铁薄壁小件缩孔、缩松倾向大的原因,为扩大补缩通道,对于球墨铸铁薄壁小件,工艺上常常采取薄壁保温、加工艺补贴及多点进铁液等措施。铸件中的某个点收缩总是在前,膨胀总是在后,收缩与膨胀之间不能相抵。自补缩是利用铸件截面中不同区域(某一分体中的由表及里)凝固速度和时间上的差异,以先凝固区域的石墨化膨胀抵消相邻后凝固区域正在进行的收缩。要实现铸件截面中不同区域凝固时间上的先后关系,就必须使不同区域具有不同的冷却速度(除去化学成分的不均匀性因素),表现在铸件断面上是要存在一定的温度梯度。温度梯度越小,截面中各点(或区域)的凝固特性越接近,自补缩作用越差;反之,温度梯度越大,自补缩效果越好。所以,温度梯度是球墨铸铁实现自补缩的必要条件。先凝固区域石墨化膨胀必然要产生一定的膨胀压力,铸型刚度越小,膨胀一定程度地消耗在型壁移动上降低其利用率;铸型刚度越大,则膨胀压力作为反作用力成为自补缩的推动力提高膨胀的利用率。所以,铸型刚度是提高自补缩的充分条件。3.4铸造热冒口的设计及解决措施一个铸件的不同区域若存在壁厚上的较大差别,在凝固速度小的厚大部位先补缩凝固速度大的薄壁部位,厚大部位加上自身的收缩便会形成一定的体积亏损。如果厚大部位未设或不方便设置热冒口,铸型刚度不足以承受先凝固部位的石墨化膨胀压力,既得不到外部铁液的补充,也无法利用其他部位的膨胀进行自补缩,将在该处形成缩孔、缩松,将这种补缩受到限制的热节称为孤立热节。对于孤立热节,采用冷冒口是可行的,但要求冷冒口凝固比热节部位晚,否则效果适得其反。这就要求其比热冒口大得多的模数。笔者公司F-115减速器,热冒口设在铸件底部,铸件顶部厚大,截面为35mm×42mm,铸件中间仅为壁厚6mm的薄壁通道(如图6)。在采取措施前,顶部缩孔、缩松高达20%左右。后在顶部热节处设置冷冒口进行补缩(未安设冷铁),冒口颈模数和冒口模数按热冒口模数的1.4倍计算,冒口颈扩张角朝向冷冒口,缩孔问题反而更严重,缩孔体积增大。后将冒口颈和冒口模数按热冒口的2倍计算(未安设冷铁),缩孔得到解决。由此可以得出,冷冒口在一定的模数以下无补缩作用,且导致热节处更加过热。只有当冷冒口颈和冷冒口超过一定的模数后,晚于热节处凝固(实际上已经成为一种伪冷冒口),才具有补缩功能。这样的补缩方式工艺复杂(要制备专用的冒口芯子以形成楔形冒口颈),生产成本高,生产效率低,在大批量生产中不推荐使用。解决铸件孤立热节的关键措施是采取激冷措施,加大孤立热节处的凝固速度。激冷措施包括使用冷铁、冷筋冒口、局部下导热性好的砂芯等。笔者公司生产的康明斯6B排气管螺栓安装凸台为孤立的厚大部位(图7a-图7b),因补缩受到限制形成缩松,后通过在该处设置直径10mm的冷筋加速该处的冷却速度,缩松得到解决。笔者公司小行星支架热冒口设置在铸件顶部,铸件底部存在补缩受到限制的孤立热节,该处加工钻孔后缩松(8a)比例高达25%而使铸件报废,同样通过增设冷筋进行局部激冷的办法得到解决(8b)。文献指出:在铸件顶面设置冷筋冒口(出气片或出气棒),当其尺寸小到一定程度,先于铸件凝固,凝固的金属导热能力远大于铸型,会加快冷筋设置处铸件的冷却速度,起到相当于冷铁的作用,且还具有溢流排气的作用,称作冷筋冒口。冷筋冒口浇注完成后其本身也是收缩大于膨胀,所以冷筋冒口并无补缩作用。所有生产实践证明,冷筋冒口并非象热冒口那样产生穿顶缩孔为铸件提供材料补给,其本身先于铸件凝固反而倒抽铸件中的铁液,只不过冷筋凝固时间短,期间由于浇冒系统的通畅未对铸件收缩造成影响,所以冷筋的根本作用是激冷,这种方法特别适用于孤立热节较小的大批量球铁件生产中。对孤立热节比较大的铸件,推荐采用成型缩颈的保温或发热冒口套,并配合冷铁的方式进行局部激冷。3.5球墨铁件的质量分数铁液的化学成分、温度、纯净度是衡量冶金质量的三大指标,对于球墨铸铁件,一般推荐在不出现石墨漂浮的前提下,适当提高铁液中碳的质量分数有利于降低缩孔、缩松倾向。3.5.1铁液的回流应用在一定范围内提高铁液温度能降低铁液的氧化程度、元素的烧损,并能减少非金属夹杂物,从而净化铁液。一般认为,冲天炉熔炼铁液的临界过热温度为1500~1550℃。感应电炉熔炼涉及到平衡温度、沸腾温度、临界温度和过热温度等不同的概念。平衡温度是决定SiO2+2C=Si+2CO反应方向的温度,大于平衡温度,反应向右进行,反之则反应向左进行。生产中为了保证足够的沸腾温度,一般取平衡温度+50℃,称为沸腾温度。此时铁液的沸腾,有利于温度和成分的进一步均匀,能驱除气体,降低铁液中的溶解氧量,排出夹杂物等,中频感应炉过热一般为1500~1550℃。铁液中众多氧化夹渣和粘滞性高的物质降低铁液的流动性,阻碍铁液的补缩,同时使孕育剂大量消耗在脱氧上,从而降低孕育效果,加快孕育衰退。在冲天炉或感应电炉内加入一定量的碳化硅,利用其在铁液中一系列的冶金反应,减轻锈蚀炉料中氧化物的有害影响,有效的净化铁液,可以增加铁液的非平衡石墨,即长效石墨晶核,改善孕育效果。由陈子华提出的预处理工艺也在国内一些先进的铸造企业得到了成功的应用:在球化反应前,加入Ba系预处理剂,反应产物BaO、BaS作为很好的石墨核心,大幅度增加单位面积的石墨球数,同时去除铁液中MgS、