陳鬧清

（山西省交城縣興龍鑄造有限公司，山西 交城 030500）

1 引言

球墨鑄鐵井蓋，在國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)上的需求量日益增大，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈，這要求產(chǎn)品在品種和使用功能上要多樣化，要求重量輕、強(qiáng)度高、表面質(zhì)量好、使用壽命長(zhǎng)。在井蓋設(shè)計(jì)上，其上皮和壁厚被設(shè)計(jì)得越來(lái)越薄，這就給冷隔缺陷的出現(xiàn)提供了較大的可能性。實(shí)踐表明，冷隔是球鐵井蓋生產(chǎn)的第一大缺陷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冷隔所形成的廢品占井蓋全部廢品的近70%。冷隔問(wèn)題解決得好，會(huì)極大地提高產(chǎn)品質(zhì)量及成品率，降低成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 冷隔的認(rèn)識(shí)

（1）鐵水在澆注過(guò)程中，通常在最后填充處，從不同方向來(lái)的鐵水流最后匯集于一點(diǎn)。匯集時(shí)，如果出現(xiàn)液流靜壓頭不夠或斷流、液流前端高低不同、溫度偏低近乎凝固、型腔有局部氣壓、或鐵液有氧化現(xiàn)象而形成較大表面張力時(shí)，鐵水流就會(huì)不接觸或剛剛接觸而融匯不到一塊，使鑄件在此處形成空位或波浪形條紋，這就是鑄件的冷隔。

（2）兩個(gè)球鐵井蓋的生產(chǎn)由于其壁厚度?。?～10），尺寸范圍較大（400～1 400），球鐵的鐵液殘?jiān)^多，使得鐵液填充特別困難。冷隔降低了井蓋整體強(qiáng)度，影響了鑄件表面質(zhì)量，在井蓋生產(chǎn)中，用肉眼可見(jiàn)的冷隔井蓋幾乎全是廢品。在手工造型和機(jī)器造型中都經(jīng)常出現(xiàn)冷隔，冷隔的部位和形狀與產(chǎn)品本身和生產(chǎn)工藝等因素有關(guān)，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 手工造型出現(xiàn)的冷隔井蓋

圖2 造型線出現(xiàn)的冷隔井蓋

3 冷隔形成機(jī)理

3.1 鐵水充型過(guò)程

球化孕育處理后的鐵水經(jīng)澆注，系統(tǒng)由近而遠(yuǎn)、先低后高、呈一定坡度從數(shù)個(gè)方向、沿不同路徑填充鑄型。哪條線路路徑短、截面寬、阻力小，哪條線路的鐵水流流動(dòng)速度就快。離澆道越遠(yuǎn)、經(jīng)過(guò)的線路截面越小的液流，溫度就越低，流動(dòng)性就越不好。最后充型的地方，是幾股鐵水流匯聚的地方，也是溫度最低的地方。最后充型的時(shí)候，也可能是型腔透氣性最差、反壓力最大、充型壓頭偏小的時(shí)候，在此時(shí)此處鐵水流變稠、表面張力變大、兩股或數(shù)股液流不能充分接觸或融匯，在鑄件上就會(huì)形成空位或銜接條紋，見(jiàn)圖3。

圖3 井蓋澆注充型過(guò)程示意圖

3.2 鐵水流的動(dòng)力

從鐵水澆注開(kāi)始至鐵水凝固前，整個(gè)鑄型內(nèi)金屬液始終受到鐵水靜壓力的作用，這個(gè)靜壓力的大小與直澆道的高低（還有澆口杯的部分高度）有關(guān)，與即時(shí)液流所處的位置有關(guān)?？偟膩?lái)講，直澆道越高，即時(shí)液流所處的位置越低，被施加的動(dòng)力就越大，充型能力就越強(qiáng)。另外，澆注開(kāi)始或完成時(shí)，鐵水包由上至下注入澆口杯，對(duì)鐵水也施加了一定的速度，盡管這個(gè)動(dòng)力在澆注穩(wěn)定后可不計(jì)，但是在非穩(wěn)定階段（澆注開(kāi)始或中間斷流）的情況下，靜壓頭幾乎沒(méi)有，這個(gè)動(dòng)力還是存在的，它施加給鐵水的紊流和漩渦是造成很多鑄造缺陷的源頭。

3.3 鐵水流的阻力

鐵水流充型過(guò)程中：①型腔受到鐵液烘烤，水蒸氣、空氣等各類氣體急劇膨脹，隨著充型過(guò)程的進(jìn)行，型腔逐漸變小，加之鑄型排氣能力不變，自然就形成型腔壓力。如果鑄型水分含量高、透氣性差、鐵液充型速度快，所產(chǎn)生的型腔壓力就大。澆注剛開(kāi)始，有集中的排氣冒口，絕大部分氣體可及時(shí)排出，型腔壓力就小。到了澆注后期，排氣冒口被封死，全部氣體只能從鑄型排出，型腔壓力就會(huì)增高。②鐵液在流經(jīng)鑄型時(shí)，受到鑄型的阻礙作用，這就是鑄型阻力。鑄型阻力與型腔大小、復(fù)雜程度、表面粗糙度以及鐵水流經(jīng)距離有關(guān)。鑄件越龐大復(fù)雜，壁厚越薄，澆注系統(tǒng)越少，離薄壁處越遠(yuǎn)，型腔表面就越粗糙，鑄型阻力就越大。鐵水流的阻力是制約鐵水充型能力的重要因素，它是由鑄件結(jié)構(gòu)、型腔情況、工藝措施決定的。

3.4 鐵水充型能力

鐵水填充型的能力，是鐵水的內(nèi)在屬性，包括合金種類及其成分、結(jié)晶特點(diǎn)以及澆注溫度等。對(duì)于球墨鑄鐵，一方面，由于有稀土鎂的存在，合金結(jié)晶范圍寬呈樹(shù)枝狀凝固，黏度和表面張力增大，流動(dòng)性下降；但另一方面，球墨鑄鐵的材質(zhì)不受碳當(dāng)量的影響，只要合金配制得當(dāng)，碳當(dāng)量接近共晶點(diǎn)，殘余稀土鎂適當(dāng)，流動(dòng)性還是會(huì)大大改善的。澆注溫度對(duì)液態(tài)金屬的充型能力有決定性的作用，澆注溫度越高，充型能力就越強(qiáng)。在一定溫度范圍內(nèi)，充型能力隨澆注溫度的提高而直線上升，越過(guò)某界線后，由于吸氣多、氧化嚴(yán)重，充型能力的幅度減小，溫度太高會(huì)給鑄件帶來(lái)一系列其他問(wèn)題。

3.5 冷隔影響因素

綜上所述，經(jīng)球化處理的鐵水流充型過(guò)程中受到靜壓頭的推動(dòng)作用，同時(shí)也受到鑄型的阻礙作用和型腔內(nèi)氣體的反壓作用。在這幾個(gè)力的共同作用下，鐵液在型腔內(nèi)向前推進(jìn)，與型腔接觸過(guò)程中，鐵液溫度逐漸降低，達(dá)液相線后開(kāi)始結(jié)晶，離內(nèi)澆口越遠(yuǎn)的液流溫度越低，結(jié)晶傾向越大。鑄型阻力越大，型腔氣體反壓力越大，幾股液流相遇，最易形成冷隔，還包括型腔情況和壓頭，是形成冷隔的外部原因。在鐵水的充型過(guò)程中，球化鐵水的成分，殘余稀土鎂量，終硅含量，以及鐵水的溫度這些影響鐵水充型能力的因素都對(duì)冷隔的形成有直接的影響，這是冷隔形成的內(nèi)部原因，其中鐵水澆注溫度是內(nèi)因中的內(nèi)因。最后，如果澆注過(guò)程緩慢或斷流也是鑄件形成冷隔的重要因素。

4 冷隔缺陷的防治

4.1 球化鐵水的選擇

①球化鐵水在成分上要選擇共晶當(dāng)量的鐵水，由于球化劑的加入，碳當(dāng)量應(yīng)在4.6%～4.7%為好。②由于球化劑的加入增加了鐵液的樹(shù)枝狀結(jié)晶傾向和表面張力，因此，殘余稀土鎂的量要盡可能低[2]，通常殘余稀土含量RE＜0.02%，0.03%＜Mg＜0.04%。③孕育處理要到位，防止自由慘碳體的出現(xiàn)，通常Fe3C＜3%。④球鐵井蓋是薄壁件，而且是潮模鑄造，終硅含量應(yīng)偏高，應(yīng)控制在2.6%＜Si＜3.0%。⑤球墨鑄鐵中，不允許有超過(guò)通用標(biāo)準(zhǔn)的微量元素，這一點(diǎn)也特別重要。

4.2 澆注溫度的選擇

澆注溫度對(duì)冷隔的防治起決定性的作用，溫度越高，鐵液冷卻凝固時(shí)間越長(zhǎng)，但盲目提高澆注溫度會(huì)給鑄件帶來(lái)粘砂、縮孔、變形等鑄造缺陷，通常球墨鑄鐵井蓋的澆注溫度在1 350～1 400℃為宜。

4.3 鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球鐵井蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)盡量做到皮厚、壁厚適中，小件不小于4～6 mm，大件不小于6～8 mm。而且在符合力學(xué)性能的前提下，盡量做到承力筋少、間距均勻、過(guò)渡平緩、留適中的鑄造圓角、不留尖角、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了、芯子少，這些都是減少鑄件冷隔和其他缺陷的有效方法。

4.4 鑄型條件的選擇

鑄型蓄熱系數(shù)低、導(dǎo)熱能力強(qiáng)、緊實(shí)度大、不加冷鐵，都有利于鐵水保溫。使用涂料能改善摩擦條件，降低流動(dòng)阻力，但潮模通常在鑄型表面撒石墨粉，這方面的作用不大。適當(dāng)降低型砂中的含水量和發(fā)氣物質(zhì)的含量，減少型砂發(fā)氣量。在滿足強(qiáng)度要求下，砂箱高度要盡量低，鑄型上扎出氣眼，或在適當(dāng)?shù)牡胤搅舫鰵饷翱?，以提高鑄型的整體透氣能力，減小鑄型中氣體的反壓力，都有利于鐵水充型，減少冷隔缺陷。

4.5 澆注系統(tǒng)開(kāi)設(shè)

澆注系統(tǒng)的開(kāi)設(shè)對(duì)鐵水充型的影響也是十分明顯的，直澆道要有足夠的高度，如砂箱高度不夠，可加澆口杯來(lái)補(bǔ)足，以保證整個(gè)澆注系統(tǒng)有足夠的靜壓力。內(nèi)澆道是控制金屬液流動(dòng)速度的關(guān)鍵組元，通常應(yīng)開(kāi)得偏大點(diǎn)，但是開(kāi)得過(guò)大、充型過(guò)快，不利于各注入口的平穩(wěn)分配。再者，內(nèi)澆道的開(kāi)設(shè)位置應(yīng)保證鐵水充型均勻、澆注路程短、最后充型部位壁厚不薄等，因此內(nèi)澆道的開(kāi)設(shè)應(yīng)數(shù)量均勻、面積適中。出氣冒口是防止型腔形成反壓力的有效組元，出氣冒口通常留在鐵水最后充型部位。澆注系統(tǒng)的開(kāi)設(shè)要考慮整個(gè)鑄型的充型速度，總的來(lái)講是快點(diǎn)好，有利于鐵水保溫，但是充型速度過(guò)快，易形成鐵水的飛濺、噴射現(xiàn)象，使金屬氧化和產(chǎn)生鐵豆缺陷，使型腔氣體來(lái)不及排出、反壓力增加，反而造成“澆不到”或“冷隔”缺陷。澆注系統(tǒng)的開(kāi)設(shè)應(yīng)考慮鐵水流動(dòng)的平穩(wěn)和均勻，尤其對(duì)于一型數(shù)個(gè)鑄件，充型不勻就可能會(huì)使某個(gè)部位或某個(gè)鑄件斷流，從而形成冷隔，因此，應(yīng)選用封閉式的澆注系統(tǒng)。

4.6 澆注

在保證澆注鐵水成份和溫度合格的情況之下，澆注方法也是極其重要的環(huán)節(jié)。首先，要使鐵水快速充滿澆口杯，然后一直保持澆口杯處于充滿狀態(tài)，保證整個(gè)澆注系統(tǒng)不斷流，這一點(diǎn)至關(guān)重要。再者，對(duì)于一些特殊的鑄件還要進(jìn)行二次補(bǔ)澆。

5 生產(chǎn)實(shí)踐

（1）鑄造手段：采用Z110造型機(jī)線生產(chǎn)，鑄型強(qiáng)度16 N/cm2，透氣性90。

（2）造型工藝：砂箱高度140，一型澆4件，每個(gè)鑄件都有獨(dú)立的排氣冒口，采用閉式澆注系統(tǒng)，工藝排布見(jiàn)圖4。

圖4 造型線工藝排布圖

（3）鑄件化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 井蓋化學(xué)成分表

（4）澆注情況：鐵水澆注溫度1 370℃，澆注時(shí)間8～10 s。

（5）澆注數(shù)量：15箱，產(chǎn)品數(shù)量：60件。

（6）檢驗(yàn)：冷隔廢品1件，其他廢品1件，廢品率3.3%。

6 結(jié)論

冷隔是球墨鑄鐵井蓋生產(chǎn)的第一“殺手”，但是，如果認(rèn)識(shí)到它的形成機(jī)理，認(rèn)識(shí)到井蓋生產(chǎn)“壁薄”的特殊性，針對(duì)性地從鐵水的成分共晶、球化適量、孕育到位、終硅偏高上著手；在工藝上使其具有足夠高的壓頭和良好的型腔透氣性，采用閉式澆注系統(tǒng)，使鑄件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單均勻；在澆注上使用高溫、快速、不斷流的澆注方法。實(shí)踐證明，通過(guò)合理的方法能有效地防治井蓋產(chǎn)品的冷隔缺陷，獲得完好的鑄件。