球墨鑄鐵縮孔(精)

1、球墨鑄鐵縮孔、縮松問題探討（ 3. 對“均衡凝固技術(shù)”幾個基本問題的討論） 3. 對“均衡凝固技術(shù)”幾個基本問題的討論 本文開頭就提到， 目前球鐵件縮孔、 縮松研究的焦點問題是： 如何正確認(rèn)識石墨 化膨脹？如何利用石墨化膨脹進行補縮？以及如何處理外部補縮和自補縮的關(guān) 系？對這幾個焦點問題，近年來在國內(nèi)流行的“均衡凝固技術(shù)” 28 提出了一 些看法，引起了各種不同的評論。 可能是由于實踐經(jīng)歷和看問題角度的差別， 筆 者的認(rèn)識和看法可能與之有所不同， 謹(jǐn)在這里對其中幾個基本問題進行討論， 希 望通過不同觀點的交流有助于加深對球鐵縮孔、 縮松問題的認(rèn)識， 特別希望有助 于正確認(rèn)識和利用石墨化膨脹進行

2、補縮。3.1 球鐵件是否可能實現(xiàn)“均衡凝固”？有利還是有弊？3.1.1 收縮膨脹疊加圖存在的問題 均衡凝固技術(shù) 28 給“均衡凝固”所作的定義是： “鑄鐵鐵水冷卻時要產(chǎn)生體積 收縮，凝固時析出石墨產(chǎn)生體積膨脹。 均衡凝固就是利用膨脹和收縮動態(tài)疊加的 自補縮和澆冒口系統(tǒng)的外部補縮， 采用工藝措施，使單位時間的收縮與膨脹、 收縮與補縮按比例進行的一種工藝原則” 28 。因此均衡凝固也稱為 “Proportional solidification ”，即 “按比例凝固”。提出這種工藝原則的 根據(jù)，也就是“均衡凝固技術(shù)”的基礎(chǔ)，是收縮膨脹疊加圖（圖 31） ，該技術(shù)的一系列論斷均以此圖為依據(jù)。 但此圖

3、并非實驗測試所得 , 與實際情況并不相符 : 該理論認(rèn)為一切鑄鐵件凝固過程的體積變化都可以用收縮曲線ABC與膨脹曲線ADC勺疊加的結(jié)果（圖31中曲線A/BD/C）表示，都是先收縮后膨脹。圖中A點 是充型開始，C點是凝固終點，P點表示收縮與膨脹均等，稱為“均衡點”，表 示鑄件只在P點之前需要外部補縮，P點之后不再需要補縮。他們還認(rèn)為薄小件 是“集中收縮、驟然膨脹”，均衡點P后移；厚大件是“收縮分散，石墨化膨脹 相對提前”，均衡點前移。然而實際測量結(jié)果恰恰相反：上文圖 1 是 C E Bates 等人采用© 12.7 X 7.01 mm的薄小試樣測試的結(jié)果，冷卻過程的體積變化（亦 即縮脹

4、疊加結(jié)果，）是先脹后縮一縮了又脹一脹了又縮1，與圖2的厚大件 相比，均衡點不但沒有后移， 反而是膨脹提前 （均衡點前移） 。圖 2 是 B P Winter 等人用© 91 X229mm試樣測試的結(jié)果2，試樣屬厚大件，且用干型澆注，剛度 高，冷速慢，按他們的說法，應(yīng)該有利于均衡點前移 28 ，而實際結(jié)果是“持續(xù)收縮”，根本沒有出現(xiàn)均衡點（或者說：均衡點無限推遲）。兩個試驗的結(jié)果都 與他們的說法正好相反，體積變化模式也都與他們提出的標(biāo)準(zhǔn)模式（圖31）完全不相同。文獻報道的試驗結(jié)果還有其他體積變化模式， 說明不同鑄件凝固過程 的體積變化是各不相同的，絕不可能都是一種模式。圖31把一切鑄鐵

5、件凝固過程的體積變化（收縮膨脹疊加結(jié)果）統(tǒng)統(tǒng)表達(dá)為“先收縮后膨脹”，顯然不能代表各種鑄件的實際情況。圖31鑄鐵件收縮與膨脹的疊加28此外，圖31本身還存在如下問題：該圖的縱坐標(biāo)沒有明確標(biāo)出“收縮/膨脹”是“收縮速率/膨脹速率”還是“收 縮量/膨脹量”，文獻28的文字?jǐn)⑹鰰r而說是“量”，時而說是“速率”：如其 中提到“曲邊三角形ABC為鑄件總收縮曲邊三角形 ADC為鑄件的石墨化膨 脹”，到底是縱坐標(biāo)表示“量”，還是（三角形包絡(luò)的）面積表示“量”？很不 明確。如果縱坐標(biāo)代表收縮量和膨脹量的話，在充型開始（ A點），收縮量和膨 脹量都是從零開始，隨充填鐵水體積增大而增大是對的， 但凝固終點的收縮量和

6、 膨脹量都應(yīng)為最大，不應(yīng)該是零，收縮曲線和膨脹曲線都應(yīng)當(dāng)是由零開始、 不斷 上升（增大）的曲線，它們的斜率變化取決于收縮或膨脹的速率變化，在凝固結(jié) 束時收縮量和膨脹量都不可能又回到零，應(yīng)當(dāng)都達(dá)到最大值。（從圖2看來，很可能是由于膨脹始終小于收縮，因此體積變化仍然保持收縮量不斷增大、 在凝固 終點達(dá)到最大值的模式；而圖1則可能是由于膨脹量及其變化較大，縮-脹疊加 結(jié)果出現(xiàn)兩次膨脹高峰）。如果圖中的ABC和ADC分別代表收縮速率和膨脹速率的變化，并非“量”的變化 （曲線包絡(luò)的面積表示量），情況就不一樣了：充型開始時，鐵水量最少，而型 腔冷卻速度最快，液態(tài)收縮速度和凝固收縮速度也就最快，因此，收縮速

7、率不應(yīng)是零，而應(yīng)當(dāng)是最大；至于膨脹速率，亦即石墨析出速率，其大小受到化學(xué)成分、 孕育強度、冷卻速度等諸多因素的影響，必然隨著各個鑄件的工藝條件和冶金條 件的不同而有所不同，凝固開始不一定沒有石墨析出，膨脹速率未必都是零。 實際鑄件冷卻、凝固過程中的體積變化曲線與試驗實測得到的體積變化曲線一 樣，都是體積變化積累的曲線，亦即各個時刻的體積收縮量積累與膨脹量積累疊 加結(jié)果的變化曲線。收縮速率和膨脹速率變化曲線只表示某個時刻的瞬時收縮量 或瞬時膨脹量的變化情況，二者疊加得到的曲線并不能代表實際鑄件的體積變化 過程。其中，如果P點之前收縮速率一直大于膨脹速率，P點之前收縮積累必然 一直大于膨脹積累，到

8、達(dá)P點時，雖然膨脹速率與收縮速率相等了，P點前的積累的體積空缺仍然存在，因此 P點也就不能說是外部補縮的終點了?？梢?，圖31不可能代表實際鑄件的體積變化，按該圖作出的各種推論也就不可 能正確了。3.1.2均衡凝固既不可能實現(xiàn)，對防止縮孔、縮松也不利 所謂“均衡凝固”是指鑄件整個凝固過程中，收縮與膨脹始終均等(Contraction-expansion balaneed solidification)，如圖 32所示。28作者的意圖是按照凝固過程收縮量的變化，將膨脹分配到凝固過程的各圖32收縮-膨脹均等的“均衡凝固” 28個時刻，使膨脹量始終等于收縮量，認(rèn)為這樣就可以充分利用膨脹進行補縮，既無多

9、余的膨脹被浪費，又不需要外來補縮。按照這種模式，鑄件的實際體積變化 曲線應(yīng)當(dāng)是一條與橫坐標(biāo)重合的直線(圖32的直線AC。但是，如上文所述，按實際生產(chǎn)使用成分和澆注溫度，球鐵和灰鐵都是收縮大于膨脹，因此，圖32的均衡凝固是不可能實現(xiàn)的。因而，28的作者又提出了使收縮-膨脹按比例進 行凝固(Contraction-expansion proportional solidification)的想法，其 基本設(shè)想是：通過使膨脹提前，按照凝固過程收縮量的變化，將膨脹分配到凝固 過程的各個時刻，使鑄件從凝固開始到結(jié)束的每個時刻，膨脹與收縮以及收縮與補縮始終都保持固定的比例，這種設(shè)想可以用圖33表示。按照這

10、種模式，鑄件的體積變化曲線也應(yīng)當(dāng)是一條與橫坐標(biāo)重合的直線 （圖33的直線AC圖33收縮與膨脹、外補縮按比例進行的“均衡凝固”（根據(jù)28的敘述，并參照圖32繪制）主張采用圖32和圖33這兩種凝固模式的目的是使整個凝固過程， 包括凝固前期 的收縮都按比例地先由一部分膨脹抵消 （即所謂“以膨脹補縮為主”），剩余部 分收縮才由外來補縮補足，認(rèn)為這樣就可以提高膨脹利用率， 減小冒口尺寸，提 高工藝出品率。下面將說明這種凝固模式不但無法實現(xiàn)， 而且即使能夠?qū)崿F(xiàn)，對 防止縮孔、縮松反而不利：（1）改變鑄型工藝不可能使膨脹提前“均衡凝固技術(shù)”所采取的工藝措施只限于改變鑄型工藝（澆冒口設(shè)計、使用冷鐵、保溫等），

11、這些措施只能使鑄件某些部位提早或推遲凝固，使該部位的收縮 和膨脹一起提前或一起推遲，并不可能使膨脹相對提前：例如采用冷鐵強化冷卻， 首先是使液態(tài)冷卻加速和使收縮提早， 然后才是石墨析出提早，膨脹仍舊不能相 對提前（下文將作更詳細(xì)討論）；反之，如果采用保溫、工藝補貼等方法降低冷 卻速度，液態(tài)收縮慢了，石墨析出也推遲了，石墨核心還可能消失，膨脹反而可 能相對推遲。改變澆、冒口設(shè)計的結(jié)果也同樣不可能使膨脹提前：如上文提到均衡凝固技術(shù)28推薦采用“飛邊冷冒口”、 “鴨嘴冷冒口”“耳冒口”和冒口 頸設(shè)冷鐵的“冷頸冒口”，列為實現(xiàn)均衡凝固的工藝措施，實際上這類冒口的作 用只不過是使冒口頸快速凝固封閉， 根

12、本不可能使鑄件膨脹提前， 按比例提前（凝 固）也就更談不上了。要使石墨化膨脹相對提前， 唯一方法是通過提高碳、 硅量和強化孕育， 使石墨提 早折出，數(shù)量增加，加快長大。但具體能提前多少量、多少時間，也不可能做到 按比例定量和定時控制。（2）凝固后期不可能獲得外部補縮 鑄件的外部（液態(tài)）補縮通道暢通時間有限，球鐵更是如此，凝固后期不可能獲 得外部補縮，圖 33 的凝固后期的外部補縮將是零，也就是說，凝固后期根本不 可能保持外部補縮與收縮成比例， 如果不盡量使較多膨脹推遲到凝固后期， 凝固 后期的膨脹就不足以抵消收縮，就會引起縮孔、縮松。（3）膨脹提前對外部補縮和自補縮都不利 “均衡凝固技術(shù)”根據(jù)

13、收縮膨脹疊加圖（圖 31）作出的基本推理是認(rèn)為“凡有 利于鑄件收縮后移和石墨化（膨脹）提前的因素都有利于脹縮相抵，使均衡點 P 前移，使冒口尺寸減小”， 因此，該技術(shù)始終以“使石墨化膨脹相對提前”作為 防止縮松、縮孔的核心措施，其想法是：通過使石墨化膨脹提前，使均衡點 P 前移，就可以實現(xiàn)兩個按比例進行的凝固模式， 就可以減少外部補縮需要量， 從 而減小冒口尺寸。而 R W Heine 發(fā)現(xiàn)32 ，33 ，過共晶石墨或其他先共晶石墨 析出使石墨化膨脹提前， 不但使膨脹不能用于補縮， 反而會使鐵水倒流進入冒口 而引起縮孔、縮松。膨脹提前對防止縮孔、縮松到底是否有利？ 筆者的實踐體會是：在體積相同

14、、成分相同、冶金條件相同的情況下，鑄件的致 密度與其材料含量密切相關(guān)。 由于如上所述， 球鐵凝固過程中體積變化的最終結(jié) 果是收縮大于膨脹， 石墨化膨脹不足以抵消收縮， 球鐵件鑄造必須外部補縮。 因 此，除了確保充分石墨化和提高鑄型剛度之外， 消除縮松、 縮孔的另一個關(guān)鍵在 于如何利用外來 （液態(tài)） 補縮增加鑄件的材料含量來彌補縮脹差額。 因為外部補 縮不但增加金屬含量， 而且也增加石墨碳總含量， 因而也增加膨脹總量。 由于目 前大批量生產(chǎn)仍以濕型為主， 即使采用高壓、 氣沖或靜壓造型， 型腔擴大亦無法 避免。除石墨化膨脹外， 澆注后型砂受熱膨脹隆起也會使型腔擴大 27 ，因而外 部補縮更顯得重

15、要。為此，應(yīng)力求在鐵水流動性好、進鐵口、出鐵口和補縮通道 尚未關(guān)閉之前， 鑄件內(nèi)盡量少發(fā)生膨脹， 盡量加速收縮， 盡早形成較大的體積空 缺，多拉進鐵水，增加鑄件的材料含量，待進鐵口和補縮通道關(guān)閉后，再發(fā)生膨 脹，這樣才可以在補縮通道關(guān)閉、 液態(tài)補縮停止后， 有較大的膨脹量來彌補收縮。 由于后期外部補縮已停止， 因而更需要、 而且只能由石墨化膨脹進行自補縮， 如 果在型腔進、出口尚未關(guān)閉的凝固前期有意地使膨脹提前而與收縮“均衡”或 “成比例”， 必然會阻止補縮鐵水進入型腔， 既錯過外部補縮時機， 也浪費應(yīng)當(dāng) 用于后期補縮的、 有限的膨脹， 導(dǎo)致鑄件材料流失， 對外補和自補都不利， 使進、 出鐵口

16、和補縮通道關(guān)閉后，沒有足夠的膨脹用于抵消收縮，導(dǎo)致縮孔、縮松。下 面的事實可以為證： 我公司曾對曲軸和發(fā)電機支架等球鐵厚大件和薄小件以及蠕鐵缸蓋試驗采用隨 流孕育（隨流孕育用瑞士 MECAN自動澆注機進行，隨流孕育量不超過 0.08 %, 孕育過程用計算機控制，能確保準(zhǔn)確、均勻），結(jié)果石墨數(shù)量增加了，性能也提 高了，然而縮松廢品也明顯增加， 而且薄件表面縮凹也增加了， 因而只能停止使 用隨流孕育。 一家為錫柴生產(chǎn)曲軸配件的工廠采用型內(nèi)孕育也發(fā)現(xiàn)同樣情況； 東 汽鑄造二廠也發(fā)現(xiàn)孕育過量引起縮松、 縮孔增加 34 。原因可作如下解釋： 如果 石墨化不充分，導(dǎo)致碳化物析出而引起縮松，適當(dāng)強化孕育，增

17、大膨脹量，對減 少縮松當(dāng)然有好處。 R W Heine 認(rèn)為球數(shù)高對減少縮松有利 35 ，就是從保證石 墨化充分考慮的。然而，當(dāng) C、Si 量一定時，孕育強度超過保證充分石墨化的需 要后，石墨碳析出總量不會再增加， 只會使石墨核心大量增加， 使石墨提早析出， 使膨脹相對提前， 不但使鐵水外流， 而且由于球數(shù)和共晶團數(shù)大幅度增加， 固 液區(qū)擴展迅速， “糊狀凝固”傾向更明顯， 液態(tài)通道容易堵塞， 導(dǎo)致外部補縮受 阻，因而使縮松、縮孔傾向增大。上述事實說明，從防止縮孔、縮松考慮，不希 望前期收縮由石墨化膨脹抵消， 如果通過使膨脹提前， 使膨脹用于抵消本來可以 由外部補縮抵消的前期收縮，結(jié)果必然是使

18、外部補縮受阻，鑄件材料含量減少， 使外部補縮停止后的凝固后期沒有足夠的膨脹來彌補收縮， 反而會導(dǎo)致縮松、 縮 孔。下文 3.5 節(jié)將進一步說明即使膨脹提前減少了外部補縮量， 冒口尺寸仍舊不 能減小。（ 4）實現(xiàn)按比例凝固既沒有調(diào)控依據(jù)，也沒有調(diào)控方法不知道實際鑄件的體積變化模式，調(diào)控就沒有依據(jù)如上所述，鑄件在其凝固過程中各個時刻的實際體積變化結(jié)果， 是到該時刻為止 的收縮量積累與膨脹量積累疊加的結(jié)果。不同鑄件凝固過程的體積變化模式是各 不相同的，要知道每個鑄件的體積變化模式，只能逐個測量，實際生產(chǎn)不可能做 到。而由于收縮與膨脹往往是相伴發(fā)生，各個時刻的具體膨脹量和收縮量是不可 能分開測定的，調(diào)整和控制也就不可能有所依據(jù)。如圖 1和圖 2曲線上的數(shù)據(jù)點 只代表不同時刻的收縮量積累與膨脹量積累疊加的結(jié)果， 具體每個數(shù)據(jù)點由多少 收縮量和多少膨脹量疊加而得？收縮量和膨脹量各自的變化模式如何？均無法 獲知。事實上在迄今所有宣稱按“均衡凝固技術(shù)”設(shè)計工藝的實例中， 都沒有對 鑄件的體積變化情況進行過測量，也就不可能知道所述鑄件在凝固過程中其體積 具體如何變化，更不可能知道其收縮量和膨脹量各自的