球墨铸铁井盖的冷隔及其防治措施

陈闹清

（山西省交城县兴龙铸造有限公司，山西 交城 030500）

1 引言

球墨铸铁井盖，在国内和国际市场上的需求量日益增大，市场的竞争也日趋激烈，这要求产品在品种和使用功能上要多样化，要求重量轻、强度高、表面质量好、使用寿命长。在井盖设计上，其上皮和壁厚被设计得越来越薄，这就给冷隔缺陷的出现提供了较大的可能性。实践表明，冷隔是球铁井盖生产的第一大缺陷。据统计，冷隔所形成的废品占井盖全部废品的近70%。冷隔问题解决得好，会极大地提高产品质量及成品率，降低成本，提高市场竞争力。

2 冷隔的认识

（1）铁水在浇注过程中，通常在最后填充处，从不同方向来的铁水流最后汇集于一点。汇集时，如果出现液流静压头不够或断流、液流前端高低不同、温度偏低近乎凝固、型腔有局部气压、或铁液有氧化现象而形成较大表面张力时，铁水流就会不接触或刚刚接触而融汇不到一块，使铸件在此处形成空位或波浪形条纹，这就是铸件的冷隔。

（2）两个球铁井盖的生产由于其壁厚度薄（4～10），尺寸范围较大（400～1 400），球铁的铁液残渣较多，使得铁液填充特别困难。冷隔降低了井盖整体强度，影响了铸件表面质量，在井盖生产中，用肉眼可见的冷隔井盖几乎全是废品。在手工造型和机器造型中都经常出现冷隔，冷隔的部位和形状与产品本身和生产工艺等因素有关，见图1、图2。

图1 手工造型出现的冷隔井盖

图2 造型线出现的冷隔井盖

3 冷隔形成机理

3.1 铁水充型过程

球化孕育处理后的铁水经浇注，系统由近而远、先低后高、呈一定坡度从数个方向、沿不同路径填充铸型。哪条线路路径短、截面宽、阻力小，哪条线路的铁水流流动速度就快。离浇道越远、经过的线路截面越小的液流，温度就越低，流动性就越不好。最后充型的地方，是几股铁水流汇聚的地方，也是温度最低的地方。最后充型的时候，也可能是型腔透气性最差、反压力最大、充型压头偏小的时候，在此时此处铁水流变稠、表面张力变大、两股或数股液流不能充分接触或融汇，在铸件上就会形成空位或衔接条纹，见图3。

图3 井盖浇注充型过程示意图

3.2 铁水流的动力

从铁水浇注开始至铁水凝固前，整个铸型内金属液始终受到铁水静压力的作用，这个静压力的大小与直浇道的高低（还有浇口杯的部分高度）有关，与即时液流所处的位置有关。总的来讲，直浇道越高，即时液流所处的位置越低，被施加的动力就越大，充型能力就越强。另外，浇注开始或完成时，铁水包由上至下注入浇口杯，对铁水也施加了一定的速度，尽管这个动力在浇注稳定后可不计，但是在非稳定阶段（浇注开始或中间断流）的情况下，静压头几乎没有，这个动力还是存在的，它施加给铁水的紊流和漩涡是造成很多铸造缺陷的源头。

3.3 铁水流的阻力

铁水流充型过程中：①型腔受到铁液烘烤，水蒸气、空气等各类气体急剧膨胀，随着充型过程的进行，型腔逐渐变小，加之铸型排气能力不变，自然就形成型腔压力。如果铸型水分含量高、透气性差、铁液充型速度快，所产生的型腔压力就大。浇注刚开始，有集中的排气冒口，绝大部分气体可及时排出，型腔压力就小。到了浇注后期，排气冒口被封死，全部气体只能从铸型排出，型腔压力就会增高。②铁液在流经铸型时，受到铸型的阻碍作用，这就是铸型阻力。铸型阻力与型腔大小、复杂程度、表面粗糙度以及铁水流经距离有关。铸件越庞大复杂，壁厚越薄，浇注系统越少，离薄壁处越远，型腔表面就越粗糙，铸型阻力就越大。铁水流的阻力是制约铁水充型能力的重要因素，它是由铸件结构、型腔情况、工艺措施决定的。

3.4 铁水充型能力

铁水填充型的能力，是铁水的内在属性，包括合金种类及其成分、结晶特点以及浇注温度等。对于球墨铸铁，一方面，由于有稀土镁的存在，合金结晶范围宽呈树枝状凝固，黏度和表面张力增大，流动性下降；但另一方面，球墨铸铁的材质不受碳当量的影响，只要合金配制得当，碳当量接近共晶点，残余稀土镁适当，流动性还是会大大改善的。浇注温度对液态金属的充型能力有决定性的作用，浇注温度越高，充型能力就越强。在一定温度范围内，充型能力随浇注温度的提高而直线上升，越过某界线后，由于吸气多、氧化严重，充型能力的幅度减小，温度太高会给铸件带来一系列其他问题。

3.5 冷隔影响因素

综上所述，经球化处理的铁水流充型过程中受到静压头的推动作用，同时也受到铸型的阻碍作用和型腔内气体的反压作用。在这几个力的共同作用下，铁液在型腔内向前推进，与型腔接触过程中，铁液温度逐渐降低，达液相线后开始结晶，离内浇口越远的液流温度越低，结晶倾向越大。铸型阻力越大，型腔气体反压力越大，几股液流相遇，最易形成冷隔，还包括型腔情况和压头，是形成冷隔的外部原因。在铁水的充型过程中，球化铁水的成分，残余稀土镁量，终硅含量，以及铁水的温度这些影响铁水充型能力的因素都对冷隔的形成有直接的影响，这是冷隔形成的内部原因，其中铁水浇注温度是内因中的内因。最后，如果浇注过程缓慢或断流也是铸件形成冷隔的重要因素。

4 冷隔缺陷的防治

4.1 球化铁水的选择

①球化铁水在成分上要选择共晶当量的铁水，由于球化剂的加入，碳当量应在4.6%～4.7%为好。②由于球化剂的加入增加了铁液的树枝状结晶倾向和表面张力，因此，残余稀土镁的量要尽可能低[2]，通常残余稀土含量RE＜0.02%，0.03%＜Mg＜0.04%。③孕育处理要到位，防止自由惨碳体的出现，通常Fe3C＜3%。④球铁井盖是薄壁件，而且是潮模铸造，终硅含量应偏高，应控制在2.6%＜Si＜3.0%。⑤球墨铸铁中，不允许有超过通用标准的微量元素，这一点也特别重要。

4.2 浇注温度的选择

浇注温度对冷隔的防治起决定性的作用，温度越高，铁液冷却凝固时间越长，但盲目提高浇注温度会给铸件带来粘砂、缩孔、变形等铸造缺陷，通常球墨铸铁井盖的浇注温度在1 350～1 400℃为宜。

4.3 铸件结构设计

球铁井盖结构的设计尽量做到皮厚、壁厚适中，小件不小于4～6 mm，大件不小于6～8 mm。而且在符合力学性能的前提下，尽量做到承力筋少、间距均匀、过渡平缓、留适中的铸造圆角、不留尖角、结构简单明了、芯子少，这些都是减少铸件冷隔和其他缺陷的有效方法。

4.4 铸型条件的选择

铸型蓄热系数低、导热能力强、紧实度大、不加冷铁，都有利于铁水保温。使用涂料能改善摩擦条件，降低流动阻力，但潮模通常在铸型表面撒石墨粉，这方面的作用不大。适当降低型砂中的含水量和发气物质的含量，减少型砂发气量。在满足强度要求下，砂箱高度要尽量低，铸型上扎出气眼，或在适当的地方留出气冒口，以提高铸型的整体透气能力，减小铸型中气体的反压力，都有利于铁水充型，减少冷隔缺陷。

4.5 浇注系统开设

浇注系统的开设对铁水充型的影响也是十分明显的，直浇道要有足够的高度，如砂箱高度不够，可加浇口杯来补足，以保证整个浇注系统有足够的静压力。内浇道是控制金属液流动速度的关键组元，通常应开得偏大点，但是开得过大、充型过快，不利于各注入口的平稳分配。再者，内浇道的开设位置应保证铁水充型均匀、浇注路程短、最后充型部位壁厚不薄等，因此内浇道的开设应数量均匀、面积适中。出气冒口是防止型腔形成反压力的有效组元，出气冒口通常留在铁水最后充型部位。浇注系统的开设要考虑整个铸型的充型速度，总的来讲是快点好，有利于铁水保温，但是充型速度过快，易形成铁水的飞溅、喷射现象，使金属氧化和产生铁豆缺陷，使型腔气体来不及排出、反压力增加，反而造成“浇不到”或“冷隔”缺陷。浇注系统的开设应考虑铁水流动的平稳和均匀，尤其对于一型数个铸件，充型不匀就可能会使某个部位或某个铸件断流，从而形成冷隔，因此，应选用封闭式的浇注系统。

4.6 浇注

在保证浇注铁水成份和温度合格的情况之下，浇注方法也是极其重要的环节。首先，要使铁水快速充满浇口杯，然后一直保持浇口杯处于充满状态，保证整个浇注系统不断流，这一点至关重要。再者，对于一些特殊的铸件还要进行二次补浇。

5 生产实践

（1）铸造手段：采用Z110造型机线生产，铸型强度16 N/cm2，透气性90。

（2）造型工艺：砂箱高度140，一型浇4件，每个铸件都有独立的排气冒口，采用闭式浇注系统，工艺排布见图4。

图4 造型线工艺排布图

（3）铸件化学成分见表1。

表1 井盖化学成分表

（4）浇注情况：铁水浇注温度1 370℃，浇注时间8～10 s。

（5）浇注数量：15箱，产品数量：60件。

（6）检验：冷隔废品1件，其他废品1件，废品率3.3%。

6 结论

冷隔是球墨铸铁井盖生产的第一“杀手”，但是，如果认识到它的形成机理，认识到井盖生产“壁薄”的特殊性，针对性地从铁水的成分共晶、球化适量、孕育到位、终硅偏高上着手；在工艺上使其具有足够高的压头和良好的型腔透气性，采用闭式浇注系统，使铸件结构简单均匀；在浇注上使用高温、快速、不断流的浇注方法。实践证明，通过合理的方法能有效地防治井盖产品的冷隔缺陷，获得完好的铸件。