鑄鐵液從澆注到凝固結束的體積變化

1.1一般鑄造金屬合金的體積變化

圖1-1是鋼，百口鐵，黃銅等的冷卻體積變化模式它從熔融狀態冷卻到室溫一直在收縮，包括液態收縮，凝固收縮，和固態收縮三個階段，當然只有液態收縮和凝固階段的收縮才會使鑄件產生體積虧損，造成縮孔縮松的缺陷。

1.2灰鑄鐵和球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵的體積變化

灰鐵，球鐵，蠕鐵在凝固過程中有石墨析出，我們稱其為石墨鑄鐵，由於奧氏體的比重為7.66%液態鑄鐵為7%左右，而石墨的比重只有2.25%因此文獻【1】【2】指出，每析出1%的石墨可膨脹3.4%，但文獻【3】指出，石墨析出的體積膨脹量僅為2%，當然，鑄鐵凝固過程中的膨脹還與其中的含氣量有關，因此，由於石墨析出導致鑄鐵的體積變化曲線與鋼等的有了很大的不同，見圖1-2從圖可看出，冷卻的 鐵液先產生鐵液收縮，（我們稱之為一次收縮），然後在凝固過程中，發生了石墨化膨脹，而在接近凝固結束的時候，最後凝固時又發生了收縮（我們稱之為二次收縮），正是由於石墨化膨脹，使鑄鐵件的冒口設計，尤其是球鐵件的設計和鋼有很大不同。

當然鑄鐵件的收縮，膨脹值，不僅取決於材質，還和鑄件形狀，壁厚，鑄型鋼性有關，另一因素是鑄鐵的冶金質量對其收縮，膨脹影響很大。由於冶金質量的不同才有了圖1-2中不同的A-C的曲線，

1-3 鑄鐵件收縮（膨脹）量的不確定性

鑄鐵件的凈收縮值除與化學成分，澆注溫度有關外，還強烈地依賴於冷卻速度，而鑄件的冷卻速度和鑄型的熱物理參數有關，如硅砂，鉻鐵礦砂，鐵型覆砂，金屬型，其導熱係數和蓄熱量不同，因而很大地影響其冷卻速度，從而影響鑄件的收縮行為，但在一般情況下，鑄件的冷卻速度主要取決於鑄件的結構和壁厚，或者說取決於鑄件的模數M，即鑄件的體積V和其散熱表面積之比（M=V/A）。鑄件模數越大，其冷卻速度越慢，凝固時間就越長，因而石墨化率越高，析出的石墨量越多，因而膨脹量越大。見圖1-3，圖1-4.

鑄件的凝固時間可用以下公式計算，

t=KM2

t----鑄件凝固時間（min）

m----鑄件凝固模數（cm）

K------凝固係數min/cm2它與合金種類澆注溫度鑄型材料有關

凝固係數K取值【5】

註：

（1）小件低CE取下限，大件高CE取上限，濕砂型取上限

（2）文獻【2】指出的球鐵K值為4.2-4.6%

（3）t=KM2算式是有名的契維瑞諾夫定則（Chvorinov＇s rule）它把一個複雜的熱傳導計算變成了一個簡單的數學計算，準確地算出了鑄件澆注後的凝固時間但我們在隨後的模數的澆冒口設計中，並不需要去計算凝固時間，而只要算出鑄件各分體的模數大小，知道其凝固先後順序即可。

從圖1-2可清楚地看到，圖中虛線A為某鑄造廠生產的球鐵溫度體積曲線，而實線C為另一廠生產的球鐵曲線，其形式相同，但兩者的收縮膨脹值卻相差很大，A曲線的鑄件不容易產生縮孔縮松，而C曲線的鑄件的鑄件易產生收縮缺陷，

這種收縮膨脹值的差別是由於其冶金質量的不同而產生的，我們在日常生產中經常會遇到這種情況，看似相同的生產條件，鑄件卻有時質量穩定，收縮缺陷也很少，但有時廢品率卻很高，因而措手不及，究其原因還是我們對鑄鐵件，尤其是對縮孔縮松很敏感的球鐵的收縮值不確定性認識不足，其中也有可能在冒口設計中的安全係數不足，但大多是對凝固過程中影響收縮值的諸多工藝因素控制不嚴，工藝規範過寬所致，如：

（1）澆注溫度控制不嚴，始澆與終澆溫度差過大，而影響收縮變化大，主要是澆注溫度過高，要知道鑄鐵的液態體積收縮率是每100℃是1.5-1.6%，因此澆注溫度越高，收縮量越大，就越容易產生收縮缺陷，所以文獻【6】認為，所有的鑄造參數中，澆注溫度對鑄件緻密度的影響為最大，它的影響分為兩個方面，①對初期凝固殼厚度的影響，②對液態收縮程度的影響，加之，過高的澆注溫度，常常是過高的爐內過熱溫度所致，因而結晶核減少，白口傾向增加，孕育效果降低，而影響石墨的析出。當然澆注溫度也不能過低，以免引起冷隔，澆不足，針孔，皺皮等缺陷，而要兩者兼顧。另澆注溫度過低，會影響鐵水的流動性，而降低冒口的補縮能力，這要根據不同的冒口設計方案，選擇合適的澆注溫度範圍。

2）化學成分控制不當，或控制範圍過寬而引起收縮值波動，對於化學成分對球鐵縮孔縮松的影響，我在第三期培訓班上關於「防止球鐵件縮孔縮松的幾點措施及最新進展」中已經詳細地進行過講解，在這裡只簡要的重複幾點，主要針對大家不夠重視的地方加以提醒，① 對每種產品，或某類近似產品要規定一個目標成分，並控 製成分的波動在C±0.05%，Si±0.1%範圍內，② 為防止收縮缺陷，在保證C+1/7Si≥3.9前提下，對球鐵來講，採用共晶成分為宜，尤其是對薄壁球鐵來講更是如此，因為共晶成分易生出集中縮孔，但有利於縮松，而集中縮孔相對易於解決，常常難以解決的是縮松缺陷。③在保證球鐵球化率前提下，要盡量降低殘留鎂含量和球化劑加入量，見圖1-5【7】從圖可知，殘鎂過高，凝固範圍大大增加，而容易產生縮松。 ④對有氣密性要求的灰鑄鐵件，要嚴格控制其磷含量，灰鑄鐵應控制在0.15%以下，摩托車的缸套，複雜的騎車缸蓋應更低【8】。

所以在實際生產中我們應當嚴格控住澆注溫度，化學成分，和其他一切影響鐵水收縮值穩定性，一致性的因素，確保設計的冒口補縮系統有效地發揮作用，而澆注溫度和化學成分準確控制，恰恰是當前大家所忽略的重要工藝參數。

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