球墨铸铁件常见缺陷的分析与对策

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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0 7～0 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。

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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%>3 9%。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0 08%。

(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。移砂缩松

(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。

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(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0 02%～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。

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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0 06%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。

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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。

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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。

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(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。

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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。

(10)浇冒口：合理设计浇冒口，使铁液平稳浇注，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。

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(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。

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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。

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(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>0 02%，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。

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型砂的组成
型砂是由90%以上的回用砂、1%～5%的补加新砂、0%～10%左右混入回用砂中的芯砂、0.6%左右的补加膨润土和0.3%左右的补加型砂添加剂组成。这些组分加入到混砂机中，补充适当的水分，进行充分的混制，就得到了能够满足生产需要的型砂。

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1、回用砂
回用砂是型砂的主要组成部分，它的性能基本决定了型砂的性能。因而对于型砂有效膨润土含量和型砂有效添加剂含量的检测，控制型砂的组成是十分重要的。
①、型砂有效膨润土含量
型砂有效膨润土含量是指型砂含有的能够起作用的活性膨润土的总的百分含量，型砂有效膨润土含量等于回用砂有效膨润土含量加上补加膨润土的百分含量。
②、型砂有效添加剂含量
型砂有效添加剂含量是指型砂含有的能够起作用的添加剂的总的百分含量，型砂有效添加剂含量等于回用砂有效添加剂含量加上补加添加剂的百分含量。

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补加新砂的作用：①是平衡砂量，补充由于铸件带砂、落砂跑砂等生产过程中造成的砂量的损失；②是降低型砂的含泥量，型砂在浇注铸件的过程中，由于砂粒的破损、膨润土烧结而产生大量的泥分使型砂的含泥量逐渐增加，当型砂中的含泥量增加到一定的百分比（如＞14%时），就会影响型砂的使用性能，这时只能依靠补加新砂用来降低型砂的含泥量。③是调整型砂的粒度，防止铸件粘砂。由于落砂时有芯铸件的芯砂大量地混入型砂中，破坏了型砂的粒度组成，使型砂粒度粗化，引起铸件粘砂，这时只能依靠补加较细的新砂来调整型砂的粒度，防止铸件粘砂。

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之所以称之为补加膨润土是因为型砂中的绝大部分有效膨润土来源于回用砂，混砂时新加的膨润土只是型砂有效膨润土的一小部分，因而称为型砂的补加膨润土。
膨润土在型砂中起粘接剂的作用，具有一定的有效膨润土含量就使得型砂制备的标准砂样和用型砂制造的砂型具有一定的湿压强度、热湿拉强度、抗剪强度、韧性、变形极限等力学性能指标。常用的型砂力学性能的控制指标是湿压强度和热湿拉强度。
一定的湿压强度保证了砂型具有满足铸件生产需要的起型能力和抗铁水冲刷能力等性能。
一定的热湿拉强度保证了砂型具有满足铸件浇注时砂型表面抗热裂脱落而产生的起皮子缺陷的能力。
型砂的抗剪强度、韧性、变形极限等力学性能指标也是非常重要的，甚至比湿压强度更能反映型砂的使用性能，但由于检验比较麻烦，目前国内应用的厂家较少。
不管型砂的力学性能指标有多少，只要膨润土的质量稳定，型砂的有效膨润土含量一定，经过混砂机充分的混制，那么型砂的所有力学性能指标都是一定的，因而对于型砂的有效膨润土含量的检测和控制就显得十分重要。
以前铸造一厂是通过型砂的湿压强度的变化来调整型砂的补加膨润土量的，这种工艺太粗放。首先，湿压强度与型砂的有效膨润土含量不完全对应，型砂中的死粘土（失效膨润土）也具有一定的湿压强度。时常有湿压强度满足工艺要求而型砂的有效膨润土含量却低了，因而型砂的其他力学性能指标不能满足生产的需要，造成很多废品。等到湿压强度低于工艺要求，调整型砂的补加膨润土量时，这时型砂的有效膨润土含量已经很低了，因而这种工艺对补加膨润土量的调整是不及时的。再者，这种工艺不知道型砂中的有效膨润土含量是多少，也就不知道型砂中的有效膨润土含量低多少，当然就不知道型砂中应该补充的补加膨润土量了。只能增加一定的补加膨润土量，观察型砂的湿压强度是否达到工艺要求，因而膨润土的补加周期较长。而且刚刚补充的膨润土，由于没有经过混砂机充分的混碾，因而在型砂中还不能充分地形成湿压强度。这种情况下，通过增加补加膨润土量来增加型砂的湿压强度并使其达到工艺要求的湿压强度指标时，型砂中的有效膨润土含量实际上已经超过了所需要的有效膨润土含量。因而，这种工艺控制的型砂，有效膨润土含量波动大，型砂性能波动大，工艺调整周期长。

xiaoxiangren

非常全面,学习了,楼主辛苦了！