球墨鑄鐵縮孔缺陷、分析及控制

為什麼會有縮孔現象

消失模鑄造已廣泛應用於大型模具鑄造領域，是毛坯件最常用的生產工藝之一，隨著汽車工業的迅速發展，裝備模具需求量逐年增長，鑄造缺陷的影響也逐步凸顯，常見缺陷有皺皮、變形、縮孔、夾砂和積碳等，本文主要針對球墨鑄件縮孔缺陷進行研究。

1。縮孔的形成及危害

（1）縮孔產生機理 液態合金鐵液由液態到固態過程中會出現體積變小現象，經歷液態收縮、凝固收縮、固態收縮三個收縮過程。

當液態收縮量與凝固收縮量大於固態收縮量時便會產生縮孔，形狀極不規則，孔壁粗糙並帶有枝狀晶，縮孔分為集中縮孔（簡稱縮孔）和分散縮孔（簡稱縮松）。

（2）縮孔特點 縮孔主要集中在鑄件的上部和最後凝固的部位，以及鑄件壁厚懸殊處、凹角圓角半徑小及內澆道附近等凝固較晚或凝固緩慢的部位（稱為熱節）。縮孔表現出來的形式主要有4種，即明縮孔、夾角縮孔、芯面縮孔、內縮孔，如圖1所示。

圖1 縮孔形式（a）明縮孔（b）夾角縮孔（c）芯面縮孔（d）內縮孔

（3）縮孔在模具中的危害 主要有以下4個方面：一是減少鑄件的有效承載截面積，甚至造成應力集中而大大降低鑄件的物理和力學效能；二是鑄件的連續性被破壞，使鑄件的氣密性、抗蝕性等效能顯著降低；三是加工後鑄件表面的粗糙度提高，致使製件拉毛；四是縮孔在球墨鑄鐵缺陷中佔據很大比例，往往成為不可修復的缺陷，直接造成鑄件報廢，給企業帶來巨大的經濟損失。

2。 縮孔缺陷位置

透過對以往鑄件失效現象統計分析發現，球墨鑄鐵縮孔缺陷多發生於高牌號球墨鑄鐵的以下部位：鑄件的熱節和最後凝固部位；承重部位或使用面部位；表面10mm以下部位。如圖2、圖3所示。

圖2

圖3

3。 原因分析

（1）鑄件熱節和最後凝固部位的縮孔 鑄件熱節部位多出現在鑄件三面夾角、拐角、直徑小的鑄孔以及壁厚懸殊部位，熱量散發緩慢或集中到某一點，鐵液外層已凝固，但熱節點位置仍處於液態，凝固層逐漸形成枝狀晶並不斷生長將尚存的鐵液分割成若干個互不相同的熔池，隨著溫度的降低熱節位置開始出現收縮，體積變小，此時不能得到鐵液補充而凝固後的孔壁粗糙、排滿樹枝晶的疏鬆孔，形成大量分散縮孔。

球墨鑄鐵以糊狀凝固方式由液態變為固態，在凝固過程中會發生共晶轉變而析出石墨，石墨的比容大於鐵液因而體積發生體膨脹，此時鑄件表面凝固層較薄使鑄型向外移動（見圖4），內部空間不能得到鐵液的補充，在最後凝固的地方形成不規則的集中縮孔，因此球墨鑄鐵本身的凝固特性使得其極易出現縮孔缺陷。

圖4

（2）承重部位或使用面部位 目前較多的鑄造廠為了確保鑄件外觀質量的提升，在進行工藝設計時，常將鑄件型面（加工面）朝上進行造型，在鐵液澆注過程中，部分氣化不充分或捲入的砂粒等物質會聚集在型面上層，這種方式主要考慮到型面在後期精加工過程中能夠將表面雜質去除。當鑄件型面加工餘量不足時，部分鑄件缺陷將留在使用面甚至是重要的承重部位。模具設計中增加加工餘量會給模具增加成本，往往透過鑄造工藝對縮孔進行控制。

（3）表面10mm以下部位 透過收集生產現場的16個班次的碳當量值進行過程能力分析發現（見圖5），碳當量的調整均符合工藝要求，但整體數值集中在4。4﹪左右，接近下限值，對於無冒口設計的鑄件而言，含碳量偏低，共晶膨脹力不足，自補能力差，易在表面10mm以下出現內縮孔。

圖5

4。縮孔控制措施

（1）冒口工藝設計 對於集中型縮孔缺陷可採取合理的冒口設計，冒口在澆注系統中的作用就是補償收縮帶來的體積變化。工藝設計應努力實現澆注時冒口處鐵液溫度最高，遠離冒口位置溫度最低，冒口本身最後凝固，達到順序凝固的效果。因此冒口形狀設計應使體積與冷卻表面積的比值達到最大，冒口高度大於直徑，同時還可選取保溫冒口，確保合理的溫度分佈（見圖6）。鐵液凝固過程中因收縮出現的孔洞將由冒口處的鐵液源源不斷地進行補充，從而得到緻密性較好的鑄件。

圖6

（2）冷鐵放置 汽車外形的多樣性決定了汽車模具的複雜性，因此在鑄造過程中會經常出現厚大件結構、壁厚懸殊位置、熱節部位，這些位置是冒口和澆注系統難以補縮的地方，應用區域性激冷的方式能有效控制縮孔的產生。冷鐵是目前使用較廣的一種方法，主要分為外冷鐵和內冷鐵。外冷鐵主要應用於厚大部位，冷卻速度慢且位置集中的地方，外冷鐵放置時應注意隔砂厚度，一般在15～30mm冷卻效果最佳。雖然冷鐵自身厚度越大冷卻效果越好，但為了避免出現過冷現象，冷鐵厚度一般為冷卻位置壁厚的70%，在放置位置上主要應考慮冷鐵間距控制在20～25mm，形成溫度梯度。內冷鐵較多應用於凹角處或凹芯內側，應關注內冷鐵的除鏽、除溼，否則澆注後與鑄件熔合會影響鑄件效能。

（3）澆注溫度控制 傳統的冒口設計方法提高了鐵液的使用量，增加了生產成本，一些生產企業開始採用無冒口的工藝設計，這種方法成功避免縮孔的條件是：從澆注到凝固過程要實現膨脹量大於收縮量。透過控制澆注溫度，使鐵液從細薄部位引入，內澆道採用扁薄梯形截面，澆注完畢後能儘早凝固並封閉通道，鑄件內部共晶轉變析出石墨，石墨的比容大於鐵液因而體積發生體膨脹，砂箱及砂型強度使其產生內壓形成自補縮，進而避免了內部縮孔。推薦澆注溫度：薄壁小件為1420～1450℃，中等壁厚件為1400～1420℃，厚大件＜1380℃。

（4）碳當量的控制 不管是有冒口還是無冒口的鑄造工藝，在應用激冷方式的同時可提高碳當量或設定上限值，隨碳當量的增加，石墨析出量會加劇，促進石墨化膨脹以加強補縮。

結語

綜上所述，球墨鑄鐵縮孔缺陷的出現是其凝固特性的結果，需採取適當的措施加以控制。在生產中不能簡單地說哪項控制措施最有效，而應根據鑄件的結構特性，採取綜合措施，針對縮孔產生的機理從設計、工藝、生產及品質等多方面進行控制。