球墨鑄鐵井蓋的冷隔及其防治措施

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，在國內和國際市場上的需求量日益增大，市場的競爭也日趨激烈，這要求產品在品種和使用功能上要多樣化，要求重量輕、強度高、表面質量好、使用壽命長。在井蓋設計上，其上皮和壁厚被設計得越來越薄，這就給冷隔缺陷的出現提供了較大的可能性。實踐表明，冷隔是球鐵井蓋生產的第一大缺陷。據統計，冷隔所形成的廢品占井蓋全部廢品的近70%。冷隔問題解決得好，會極大地提高產品質量及成品率，降低成本，提高市場競爭力。

2 冷隔的認識

（1）鐵水在澆注過程中，通常在最后填充處，從不同方向來的鐵水流最后匯集于一點。匯集時，如果出現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、或鐵液有氧化現象而形成較大表面張力時，鐵水流就會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）兩個球鐵井蓋的生產由于其壁厚度薄（4～10），尺寸范圍較大（400～1 400），球鐵的鐵液殘渣較多，使得鐵液填充特別困難。冷隔降低了井蓋整體強度，影響了鑄件表面質量，在井蓋生產中，用肉眼可見的冷隔井蓋幾乎全是廢品。在手工造型和機器造型中都經常出現冷隔，冷隔的部位和形狀與產品本身和生產工藝等因素有關，見圖1、圖2。

圖1 手工造型出現的冷隔井蓋

圖2 造型線出現的冷隔井蓋

3 冷隔形成機理

3.1 鐵水充型過程

球化孕育處理后的鐵水經澆注，系統由近而遠、先低后高、呈一定坡度從數個方向、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速度就快。離澆道越遠、經過的線路截面越小的液流，溫度就越低，流動性就越不好。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、充型壓頭偏小的時候，在此時此處鐵水流變稠、表面張力變大、兩股或數股液流不能充分接觸或融匯，在鑄件上就會形成空位或銜接條紋，見圖3。

圖3 井蓋澆注充型過程示意圖

3.2 鐵水流的動力

從鐵水澆注開始至鐵水凝固前，整個鑄型內金屬液始終受到鐵水靜壓力的作用，這個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，與即時液流所處的位置有關。總的來講，直澆道越高，即時液流所處的位置越低，被施加的動力就越大，充型能力就越強。另外，澆注開始或完成時，鐵水包由上至下注入澆口杯，對鐵水也施加了一定的速度，盡管這個動力在澆注穩定后可不計，但是在非穩定階段（澆注開始或中間斷流）的情況下，靜壓頭幾乎沒有，這個動力還是存在的，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，隨著充型過程的進行，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，所產生的型腔壓力就大。澆注剛開始，有集中的排氣冒口，絕大部分氣體可及時排出，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，型腔壓力就會增高。②鐵液在流經鑄型時，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、復雜程度、表面粗糙度以及鐵水流經距離有關。鑄件越龐大復雜，壁厚越薄，澆注系統越少，離薄壁處越遠，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，它是由鑄件結構、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，是鐵水的內在屬性，包括合金種類及其成分、結晶特點以及澆注溫度等。對于球墨鑄鐵，一方面，由于有稀土鎂的存在，合金結晶范圍寬呈樹枝狀凝固，黏度和表面張力增大，流動性下降；但另一方面，球墨鑄鐵的材質不受碳當量的影響，只要合金配制得當，碳當量接近共晶點，殘余稀土鎂適當，流動性還是會大大改善的。澆注溫度對液態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。在一定溫度范圍內，充型能力隨澆注溫度的提高而直線上升，越過某界線后，由于吸氣多、氧化嚴重，充型能力的幅度減小，溫度太高會給鑄件帶來一系列其他問題。

3.5 冷隔影響因素

綜上所述，經球化處理的鐵水流充型過程中受到靜壓頭的推動作用，同時也受到鑄型的阻礙作用和型腔內氣體的反壓作用。在這幾個力的共同作用下，鐵液在型腔內向前推進，與型腔接觸過程中，鐵液溫度逐漸降低，達液相線后開始結晶，離內澆口越遠的液流溫度越低，結晶傾向越大。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冷隔的形成有直接的影響，這是冷隔形成的內部原因，其中鐵水澆注溫度是內因中的內因。最后，如果澆注過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量的鐵水，由于球化劑的加入，碳當量應在4.6%～4.7%為好。②由于球化劑的加入增加了鐵液的樹枝狀結晶傾向和表面張力，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，通常Fe3C＜3%。④球鐵井蓋是薄壁件，而且是潮模鑄造，終硅含量應偏高，應控制在2.6%＜Si＜3.0%。⑤球墨鑄鐵中，不允許有超過通用標準的微量元素，這一點也特別重要。

4.2 澆注溫度的選擇

澆注溫度對冷隔的防治起決定性的作用，溫度越高，鐵液冷卻凝固時間越長，但盲目提高澆注溫度會給鑄件帶來粘砂、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 鑄件結構設計

球鐵井蓋結構的設計盡量做到皮厚、壁厚適中，小件不小于4～6 mm，大件不小于6～8 mm。而且在符合力學性能的前提下，盡量做到承力筋少、間距均勻、過渡平緩、留適中的鑄造圓角、不留尖角、結構簡單明了、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

鑄型蓄熱系數低、導熱能力強、緊實度大、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。適當降低型砂中的含水量和發氣物質的含量，減少型砂發氣量。在滿足強度要求下，砂箱高度要盡量低，鑄型上扎出氣眼，或在適當的地方留出氣冒口，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 澆注系統開設

澆注系統的開設對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，可加澆口杯來補足，以保證整個澆注系統有足夠的靜壓力。內澆道是控制金屬液流動速度的關鍵組元，通常應開得偏大點，但是開得過大、充型過快，不利于各注入口的平穩分配。再者，內澆道的開設位置應保證鐵水充型均勻、澆注路程短、最后充型部位壁厚不薄等，因此內澆道的開設應數量均勻、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。澆注系統的開設要考慮整個鑄型的充型速度，總的來講是快點好，有利于鐵水保溫，但是充型速度過快，易形成鐵水的飛濺、噴射現象，使金屬氧化和產生鐵豆缺陷，使型腔氣體來不及排出、反壓力增加，反而造成“澆不到”或“冷隔”缺陷。澆注系統的開設應考慮鐵水流動的平穩和均勻，尤其對于一型數個鑄件，充型不勻就可能會使某個部位或某個鑄件斷流，從而形成冷隔，因此，應選用封閉式的澆注系統。

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節。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，保證整個澆注系統不斷流，這一點至關重要。再者，對于一些特殊的鑄件還要進行二次補澆。

5 生產實踐

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

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

圖4 造型線工藝排布圖

（3）鑄件化學成分見表1。

表1 井蓋化學成分表

（4）澆注情況：鐵水澆注溫度1 370℃，澆注時間8～10 s。

（5）澆注數量：15箱，產品數量：60件。

（6）檢驗：冷隔廢品1件，其他廢品1件，廢品率3.3%。

6 結論

冷隔是球墨鑄鐵井蓋生產的第一“殺手”，但是，如果認識到它的形成機理，認識到井蓋生產“壁薄”的特殊性，針對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，使鑄件結構簡單均勻；在澆注上使用高溫、快速、不斷流的澆注方法。實踐證明，通過合理的方法能有效地防治井蓋產品的冷隔缺陷，獲得完好的鑄件。