球墨鑄件已廣泛應(yīng)用于大型模具鑄造領(lǐng)域，是毛坯件常用的生產(chǎn)工藝之一，隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)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(jìn)行研究。
1.縮孔的形成及危害
(1)縮孔產(chǎn)生機(jī)理液態(tài)合金鐵液由液態(tài)到固態(tài)過程中會出現(xiàn)體積變小現(xiàn)象，經(jīng)歷液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮三個(gè)收縮過程。
當(dāng)液態(tài)收縮量與凝固收縮量大于固態(tài)收縮量時(shí)便會產(chǎn)生縮孔，形狀極不規(guī)則，孔壁粗糙并帶有枝狀晶，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(diǎn)縮孔主要集中在鑄件的上部和后凝固的部位，以及鑄件壁厚懸殊處、凹角圓角半徑小及內(nèi)澆道附近等凝固較晚或凝固緩慢的部位(稱為熱節(jié))。縮孔表現(xiàn)出來的形式主要有4種，即明縮孔、夾角縮孔孔、芯面縮孔、內(nèi)縮孔，如圖1所示。
(a)明縮孔(b)夾角縮孔(c)芯面縮孔(d)內(nèi)縮孔
圖1 縮孔形式
(3)縮孔在模具中的危害主要有以下4個(gè)方面：一是減少鑄件的有效承載截面積，甚至造成應(yīng)力集中而大大降低鑄件的物理和力學(xué)性能;二是鑄件的連續(xù)性被破壞，使鑄件的氣密性、抗蝕性等性能顯著降低;三是加工后鑄件表面的粗糙度提高，致使制件拉毛;四是縮孔在球墨鑄鐵缺陷中占據(jù)很大比例，往往成為不可修復(fù)的缺陷，直接造成鑄件報(bào)廢，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
2. 縮孔缺陷位置
通過對以往鑄件失效現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，球墨鑄鐵縮孔缺陷多發(fā)生于高牌號球墨鑄鐵的以下部位：鑄件的熱節(jié)和后凝固部位;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(jié)和后凝固部位的縮孔鑄件熱節(jié)部位多出現(xiàn)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(fā)緩慢或集中到某一點(diǎn)，鐵液外層已凝固，但熱節(jié)點(diǎn)位置仍處于液態(tài)，凝固層逐漸形成枝狀晶并不斷生長將尚存的鐵液分割成若干個(gè)互不相同的熔池，隨著溫度的降低熱節(jié)位置開始出現(xiàn)收縮，體積變小，此時(shí)不能得到鐵液補(bǔ)充而凝固后的孔壁粗糙、排滿樹枝晶的疏松孔，形成大量分散縮孔。
球墨鑄鐵以糊狀凝固方式由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，在凝固過程中會發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而析出石墨，石墨的比容大于鐵液因而體積發(fā)生體膨脹，此時(shí)鑄件表面凝固層較薄使鑄型向外移動(見圖4)，內(nèi)部空間不能得到鐵液的補(bǔ)充，在后凝固的地方形成不規(guī)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(xiàn)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(zhì)量的提升，在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，常將鑄件型面(加工面)朝上進(jìn)行造型，在鐵液澆注過程中，部分氣化不充分或卷入的砂粒等物質(zhì)會聚集在型面上層，這種方式主要考慮到型面在后期精加工過程中能夠?qū)⒈砻骐s質(zhì)去除。當(dāng)鑄件型面加工余量不足時(shí)，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(shè)計(jì)中增加加工余量會給模具增加成本，往往通過鑄造工藝對縮孔進(jìn)行控制。
(3)表面10mm以下部位 通過收集生產(chǎn)現(xiàn)場的16個(gè)班次的碳當(dāng)量值進(jìn)行過程能力分析發(fā)現(xiàn)(見圖5)，碳當(dāng)量的調(diào)整均符合工藝要求，但整體數(shù)值集中在4.4﹪左右，接近下限值，對于無冒口設(shè)計(jì)的鑄件而言，含碳量偏低，共晶膨脹力不足，自補(bǔ)能力差，易在表面10mm以下出現(xiàn)內(nèi)縮孔。
圖 5
4.縮孔控制措施
(1)冒口工藝設(shè)計(jì)對于集中型縮孔缺陷可采取合理的冒口設(shè)計(jì)，冒口在澆注系統(tǒng)中的作用就是補(bǔ)償收縮帶來的體積變化。工藝設(shè)計(jì)應(yīng)努力實(shí)現(xiàn)澆注時(shí)冒口處鐵液溫度高，遠(yuǎn)離冒口位置溫度低，冒口本身后凝固，達(dá)到順序凝固的效果。因此冒口形狀設(shè)計(jì)應(yīng)使體積與冷卻表面積的比值達(dá)到大，冒口高度大于直徑，同時(shí)還可選取保溫冒口，確保合理的溫度分布(見圖6)。鐵液凝固過程中因收縮出現(xiàn)的孔洞將由冒口處的鐵液源源不斷地進(jìn)行補(bǔ)充，從而得到致密性較好的鑄件。
圖6
(2)冷鐵放置汽車外形的多樣性決定了汽車模具的復(fù)雜性，因此在鑄造過程中會經(jīng)常出現(xiàn)厚大件結(jié)構(gòu)、壁厚懸殊位置、熱節(jié)部位，這些位置是冒口和澆注系統(tǒng)難以補(bǔ)縮的地方，應(yīng)用局部激冷的方式能有效控制縮孔的產(chǎn)生。冷鐵是目前使用較廣的一種方法，主要分為外冷鐵和內(nèi)冷鐵。外冷鐵主要應(yīng)用于厚大部位，冷卻速度慢且位置集中的地方，外冷鐵放置時(shí)應(yīng)注意隔砂厚度，一般在15～30mm冷卻效果。雖然冷鐵自身厚度越大冷卻效果越好，但為了避免出現(xiàn)過冷現(xiàn)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(yīng)考慮冷鐵間距控制在20～25mm，形成溫度梯度。內(nèi)冷鐵較多應(yīng)用于凹角處或凹芯內(nèi)側(cè)，應(yīng)關(guān)注內(nèi)冷鐵的除銹、除濕，否則澆注后與鑄件熔合會影響鑄件性能。
(3)澆注溫度控制傳統(tǒng)的冒口設(shè)計(jì)方法提高了鐵液的使用量，增加了生產(chǎn)成本，一些生產(chǎn)企業(yè)開始采用無冒口的工藝設(shè)計(jì)，這種方法成功避免縮孔的條件是：從澆注到凝固過程要實(shí)現(xiàn)膨脹量大于收縮量。通過控制澆注溫度，使鐵液從細(xì)薄部位引入，內(nèi)澆道采用扁薄梯形截面，澆注完畢后能盡早凝固并封閉通道，鑄件內(nèi)部共晶轉(zhuǎn)變析出石墨，石墨的比容大于鐵液因而體積發(fā)生體膨脹，砂箱及砂型強(qiáng)度使其產(chǎn)生內(nèi)壓形成自補(bǔ)縮，進(jìn)而避免了內(nèi)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(dāng)量的控制不管是有冒口還是無冒口的鑄造工藝，在應(yīng)用激冷方式的同時(shí)可提高碳當(dāng)量或設(shè)定上限值，隨碳當(dāng)量的增加，石墨析出量會加劇，促進(jìn)石墨化膨脹以加強(qiáng)補(bǔ)縮。
結(jié)語
綜上所述，球墨鑄鐵縮孔缺陷的出現(xiàn)是其凝固特性的結(jié)果，需采取適當(dāng)?shù)拇胧┘右钥刂�。在生產(chǎn)中不能簡單地說哪項(xiàng)控制措施有效，而應(yīng)根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特性，采取綜合措施，針對縮孔產(chǎn)生的機(jī)理從設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)及品質(zhì)等多方面進(jìn)行控制。
