球墨铸铁件常见缺陷的分析与对策

球铁是近40年来我国发展起来的重要铸造金属材料。由于球状石墨造成的应力集中小，对基体的割裂作用也较小，故球铁的抗拉强度，塑性和韧性均高于其他铸铁。与相应组织的钢相比，塑性低于钢，疲劳强度接近一般中碳钢，屈强比可达07～0 8，几乎是一般碳钢的2倍，而成本比钢低，因此其应用日趋广泛。

当然，球铁也不是十全十美的，它除了会产生一般的铸造缺陷外，还会产生一些特有的缺陷，如缩松、夹渣、皮下气孔、球化不良及衰退等。这些缺陷影响铸件性能，使铸件废品率增高。为了防止这些缺陷的发生，有必要对其进行分析，总结出各种影响因素，提出防止措施，才能有效降低缺陷的产生，提高铸件的力学性能及生产效益。本文将讨论球铁件的主要常见缺陷:缩孔、缩松、夹渣、皮下气孔、石墨漂浮、球化不良及球化衰退。

1　缩孔缩松

1.1影响因素

(1)碳当量：提高碳量，增大了石墨化膨胀，可减少缩孔缩松。此外，提高碳当量还可提高球铁的流动性，有利于补缩。生产优质铸件的经验公式为Ｃ%+1/7Ｓｉ%>39%。但提高碳当量时，不应使铸件产生石墨漂浮等其他缺陷。

(2)磷：铁液中含磷量偏高，使凝固范围扩大，同时低熔点磷共晶在最后凝固时得不到补给，以及使铸件外壳变弱，因此有增大缩孔、缩松产生的倾向。一般工厂控制含磷量小于008%。

(3)稀土和镁：稀土残余量过高会恶化石墨形状，降低球化率，因此稀土含量不宜太高。而镁又是一个强烈稳定碳化物的元素，阻碍石墨化。由此可见，残余镁量及残余稀土量会增加球铁的白口倾向，使石墨膨胀减小，故当它们的含量较高时，亦会增加缩孔、缩松倾向。

(4)壁厚：当铸件表面形成硬壳以后，内部的金属液温度越高，液态收缩就越大，则缩孔、缩松的容积不仅绝对值增加，其相对值也增加。另外，若壁厚变化太突然，孤立的厚断面得不到补缩，使产生缩孔缩松倾向增大。

(5)温度：浇注温度高，有利于补缩，但太高会增加液态收缩量，对消除缩孔、缩松不利，所以应根据具体情况合理选择浇注温度，一般以1300～1350℃为宜。

(6)砂型的紧实度：若砂型的紧实度太低或不均匀，以致浇注后在金属静压力或膨胀力的作用下，产生型腔扩大的现象，致使原来的金属不够补缩而导致铸件产生缩孔缩松。

(7)浇冒口及冷铁：若浇注系统、冒口和冷铁设置不当，不能保证金属液顺序凝固；另外，冒口的数量、大小以及与铸件的连接当否，将影响冒口的补缩效果。

1.2　防止措施

(1)控制铁液成分：保持较高的碳当量(>3 9%)；尽量降低磷含量(<0 08%)；降低残留镁量(<0 07%)；采用稀土镁合金来处理，稀土氧化物残余量控制在002%～0 04%。

(2)工艺设计要确保铸件在凝固中能从冒口不断地补充高温金属液，冒口的尺

寸和数量要适当，力求做到顺序凝固。

(3)必要时采用冷铁与补贴来改变铸件的温度分布，以利于顺序凝固。

(4)浇注温度应在1300～1350℃，一包铁液的浇注时间不应超过25ｍｉｎ，以免产生球化衰退。

(5)提高砂型的紧实度，一般不低于90；撞砂均匀，含水率不宜过高，保证铸型有足够的刚度。

2　夹渣

2 .1　影响因素

(1)硅：硅的氧化物也是夹渣的主要组成部分，因此尽可能降低含硅量。

(2)硫：铁液中的硫化物是球铁件形成夹渣缺陷的主要原因之一。硫化物的熔点比铁液熔点低，在铁液凝固过程中，硫化物将从铁液中析出，增大了铁液的粘度，使铁液中的熔渣或金属氧化物等不易上浮。因而铁液中硫含量太高时，铸件易产生夹渣。球墨铸铁原铁液含硫量应控制在006%以下，当它在0 09%～0 135%时，铸铁夹渣缺陷会急剧增加。

(3)稀土和镁：近年来研究认为夹渣主要是由于镁、稀土等元素氧化而致，因此残余镁和稀土不应太高。

(4)浇注温度：浇注温度太低时，金属液内的金属氧化物等因金属液的粘度太高，不易上浮至表面而残留在金属液内； 温度太高时，金属液表面的熔渣变得太稀薄，不易自液体表面去除，往往随金属液流入型内。而实际生产中，浇注温度太低是引起夹渣的主要原因之一。此外，浇注温度的选取还应考虑碳、硅含量的关系。

(5)浇注系统:浇注系统设计应合理,具有挡渣功能,使金属液能平稳地充填

铸型,力求避免飞溅及紊流。

(6)型砂：若型砂表面粘附有多余的砂子或涂料，它们可与金属液中的氧化物合成熔渣，导致夹渣产生；砂型的紧实度不均匀，紧实度低的型壁表面容易被金属液侵蚀和形成低熔点的化合物，导致铸件产生夹渣。

2.2　防止措施

(1)控制铁液成分：尽量降低铁液中的含硫量(<0 06%)，适量加入稀土合金(0 1%～0 2%)以净化铁液，尽可能降低含硅量和残镁量。

(2)熔炼工艺：要尽量提高金属液的出炉温度，适宜的镇静，以利于非金属夹杂物的上浮、聚集。扒干净铁液表面的渣子，铁液表面应放覆盖剂(珍珠岩、草木灰等)，防止铁液氧化。选择合适的浇注温度，最好不低于1350℃。

(3)浇注系统要使铁液流动平稳，应设有集渣包和挡渣装置(如滤渣网等)，避免直浇道冲砂。

(4)铸型紧实度应均匀，强度足够；合箱时应吹净铸型中的砂子。

3　石墨漂浮

3. 1　影响因素

(1)碳当量：碳当量过高，以致铁液在高温时就析出大量石墨。由于石墨的密度比铁液小，在镁蒸汽的带动下，使石墨漂浮到铸件上部。碳当量越高，石墨漂浮现象越严重。应当指出，碳当量太高是产生石墨漂浮的主要原因，但不是唯一原因，铸件大小、壁厚也是影响石墨漂浮的重要因素。

(2)硅：在碳当量不变的条件下，适当降低含硅量，有助于降低产生石墨漂浮的倾向。

(3)稀土：稀土含量过少时，碳在铁液中的溶解度会降低，铁液将析

平稳浇注，并具有较强的挡渣功能；同时，适当增加直浇道和冒口的高度，以增加金属液的静压力。

4 2　防止措施

(1)严格控制铁液化学成分，使碳当量稍大于共晶点成分，含硫量不大于0 .094%；残余稀土小于0.043%;残留镁含量不大于0.05%;铝含量在0.03%～0.05%范围以外。

(2)合理设计铸件结构，使壁厚不小于25ｍｍ；根据壁厚确定浇注温度，薄壁小件不得小于1320℃；中件不得小于1300℃；大件不得小于1280℃。

(3)金属炉料、孕育剂和所用工具应干燥，表面无锈蚀和油污。同时型砂水分不宜过高，尽量小于4.8%,煤粉、重油等发气物质的含量要适当控制，减少粘土含量，并可附加一些增加透气性的物质，如木屑等。

(4)合理设计浇注系统，使之为开放式，可在型腔的最高处设置出气孔，同时应保证浇冒口高度，以提高液态金属的静压力。

5　球化衰退及球化不良

5.1　影响因素

(1)碳当量：铁液的碳当量太高时(尤其是硅含量也高时)将使石墨球化受到影响。试验表明，对于厚壁铸件，当碳当量超过共晶成分时就有可能产生开花状石墨。但是提高铁液的含碳量有利于镁回收率的提高。因此生产中大多采用高碳低硅的原则，通常含硅量控制在2%左右。此外，碳当量的选取还与铸件壁厚有关：当壁厚为6.5～76ｍｍ时，碳当量为4.35%～4.7%；当壁厚>76ｍｍ，碳当量为4.3%～4.35%。

(2)硫:当铁液中的含硫量太高时，硫与镁和稀土生成硫化物，因其密度小而上浮到铁液表面，而这些硫化物与空气中的氧发生反应生成硫，硫又回到铁液，又重复上述过程，从而降低了镁与稀土含量。当铁液中的硫大于0.1%时，即使加入多量的球化剂，也不能使石墨完全球化。

(3)稀土与镁:稀土与镁含量过低时，往往产生球化不良或球化衰退现象。一般工厂要求球化剂的加入量为1.8%～2.2%。

(4)壁厚：铸件壁太厚也容易产生球化不良及衰退缺陷，主要是因为铁液在铸型中长时间处于液态，镁蒸汽上浮，造成镁含量降低；共晶时大量石墨生成而释放出的结晶潜热使奥氏体壳重新熔化，石墨伸出壳外而畸形长大，形成非球状石墨。

(5)温度:若铁液温度过高，铁液氧化严重，由于镁与稀土易与氧化物产生还原反应，而使得镁、稀土含量降低，同时高温也将增加镁的烧损和蒸发；铁液温度太低，球化剂不能熔化和被铁液吸收，而上浮至铁液表面燃烧或被氧化。

(6)滞留时间：铁液中镁的含量是随孕育处理后停留时间的增加而减少，其主要原因是因硫及镁、稀土的氧化与蒸发造成的。一般情况下，滞留时间不超过20min。

(7)浇冒口：浇冒口若设计不合理，会产生浇注时间太长、铁液飞溅以及卷入空气，使镁、稀土氧化严重。

5.2　防止措施

(1)严格控制铁液成分：选择合适的碳当量；铁液中的含硫量应小于0 08%(其中生铁含硫不得大于0 03%，焦碳含硫不

得大于0 08%)，可采用小苏打进行脱硫。

(2)加入足够的球化剂，一般为1.8%～2.2%；此外应注意球化剂的质量，若球化剂破碎后使用，放置时间不得超过一周。处理后的球铁铁液中稀土镁的残留量不应过低，Ｍｇ残>002%，ＲＥ残>0 02%。

(3)合理设计铸件结构,避免壁厚过大，也可在壁厚处加冷铁以提高凝固速度，缩短液态时间，从而防止球化衰退及不良。

(4)注意处理温度。出炉温度应低于1460℃，以防球化剂严重烧损；要防止高温下的氧化现象，盖好覆盖球化剂的铁板(厚度应>3ｍｍ)；铁液扒渣后应用草木灰等盖好；当铁液温度>1350℃出现球化不良及衰退时，可补加球化剂；而当<1350℃时就不能补加球化剂，也不得浇注球铁件，只能补加其它铁液浇注不重要的灰铸铁件或芯骨等。

(5)铁液出炉后应及时浇注，滞留时间不得超过20min。

(6)合理设计浇冒口,，采用型内和型上球化处理，加强孕育。

出大量石墨，加重石墨漂浮。

(4)球化温度与孕育温度：为了提高镁及稀土元素的吸收率，国内试验研究表明，球化处理时最适当的铁液温度是1380～1450℃。在此温度区间，随着温度升高，镁和稀土的吸收率增加。

(5)浇注温度：一般情况下,浇注温度越高，出现石墨漂浮的倾向越大，这是因为铸件长时间处于液态有利于石墨的析出。A.P.Druschitz与Ｗ.Ｗ.Ｃhaput研究发现,若缩短凝固时间，随着浇注温度升高，石墨漂浮倾向降低。

(6)滞留时间：孕育处理后至浇注完毕之间的停留时间太长，为石墨的析出提供了条件，一般这段时间应控制在10ｍｉｎ以内。

3 2　防止措施

(1)控制铁液成分：严格控制碳当量，不得大于4 6%；铁液的含碳量不得大于4 0%，可用废钢来调整铁液的含碳量；采用低硅(<1 2%)生铁；改进孕育处理，增强孕育效果，这样可降低孕育硅铁量。

(2)控制稀土的加入量：在保证球化的前提下，加入量要少。

(3)改进铸件的结构，使壁厚尽量均匀，且小于60ｍｍ；若壁厚相差很大、热节很大，可在厚壁或者热节处加放冷铁；若是热节或厚壁位置在铸件顶部，可在此处加冒口。

(4)严格控制温度：通常要求在1380～1450℃进行球化处理，1360～1400℃进行浇注。同时，尽量缩短铁液出炉到浇注之间的滞留时间。

(5)必要情况下，可以加入钼等反石墨化元素，提高碳在铁液中的溶解

度，从而减少石墨析出。

4　皮下气孔

4. 1　影响因素

(1)碳当量：适当增加含硅量有助于皮下气孔的减少。同时，在硅量保持不变的情况下，随着含碳量的增加，球铁中皮下气孔的个数呈现出单峰曲线，且峰值点总保持在共晶点左右，因此，最好将碳硅含量选择得高一些，以使球铁的碳当量稍大于共晶点。

(2)硫：硫高会引起皮下气孔等缺陷，这是因为产生Ｈ2Ｓ气体而形成。当含硫量超过0 .094%时就会产生皮下气孔，含硫量越高，情况越严重。

(3)稀土:铁液中加入稀土元素能脱氧、脱硫，提高铁液表面张力，因此有利于防止产生皮下气孔。但稀土含量太高，会增加铁液中氧化物的含量，使气泡外来核心增加，皮下气孔率增加。残余稀土量应控制在0.043%以下。

(4)镁：过高的镁将会加剧铁液的吸氢倾向，大量的镁气泡和氧化物进入型腔，增加气泡的外来核心；此外镁蒸汽直接与砂型中的水分作用，产生ＭｇＯ烟气及氢气，也会产生皮下气孔。试验表明，残镁量大于0.05%后便易出现皮下气孔，残镁越高越严重。因此在保证球化基础上，尽量降低残留镁量。

(5)铝：铁液中的铝是铸件产生氢气孔的主要原因。据报道,当湿型铸造球墨铸铁的残留铝量为 0.030%～0 .050%时，将产生皮下气孔。E.R.Kaczmarek等人研究认为，铁液与铸型中的水反应生成ＦｅＯ与Ｈ2，由于铝的脱氧作用，又生成Ａｌ2Ｏ3，其即为气泡生成的核心而又

能吸附一定的气体，增加了球铁产生皮下气孔的倾向。但是在减少渣中的ＦｅＯ成分时，镁的存在使得铝显得多余，故铝的敏感含量是有一定范围的。

(6)壁厚：皮下气孔还有“壁厚效应”特征，即气孔的产生在一定壁厚范围内，实际上这与铸件的凝固速度有关。铸件壁厚大时，其凝固结皮时间推迟，有利于气泡逸出。因此，一般来说壁厚小于6ｍｍ或大于25ｍｍ时不易产生皮下气孔。

(7)浇注温度：浇注温度类似于壁厚效应，也有一个温度范围，在1285～1304℃时，皮下气孔相当严重。笔者进一步研究认为，不同的壁厚其危险温度也不相同，因此，应根据铸件壁厚共同确定浇注温度。当然，提高浇注温度能延缓氧化膜的生成，防止熔渣进入型腔，同时对砂型烘烤时间加长使水分向外迁移。

(8)型砂含水率：铸型产生皮下气孔的倾向按下列顺序依次减小：湿型、干型、水玻璃型、壳型。司乃潮的研究也证明了这一点，即随着型砂水分的提高，球铁产生皮下气孔的倾向增大，而当型砂水分小于4.8%时，皮下气孔率接近于零。

(9)型砂紧实度与透气性：型砂的透气性太低，导致型壁所产生的气体不能排出型外，而向金属侵入，致使铸件产生气孔；随着型砂紧实度的增加，皮下气孔的倾向也加大，但当紧实度相当高时，倾向又减小，这可能是由于表层砂紧实度高，增大了水分向铸件方向的迁移阻力，但若型砂水分也高，将使水蒸气爆炸的可能性增加。