铸铁件产生冷隔的原因及防止措施

2021-07-20杨群收康晋辉

金属加工(热加工) 2021年6期

杨群收，康晋辉

1.河南省铸锻工业协会河南郑州 463000

2.驻马店技师学院河南驻马店 463000

1 序言

有些企业为了防止铸件出现冷隔，单纯提高出炉温度，而产生冷隔的原因不仅是浇注温度问题，还与铁液的化学成分、浇注技术也有着密不可分的关系。在保证铸件物理性能的要求下，使材质的碳当量CE尽可能地靠近共晶点，通常把浇注温度控制在材质熔化温度以上60~100℃即可，在此温度的基础上，根据铸件的大小、厚薄、几何形状的复杂程度，以及季节气温的不同，加上出炉、球化处理、转运过程的降温、浇注过程的降温，再确定合理的出炉温度。另外，浇注工人也要据此而控制浇注速度及调整浇包距离浇口杯的位置，浇注速度通常是“慢、快、慢”，开始的“慢”是为了使包嘴对准浇口杯，以防浇到铸型外边；中间的“快”是为了让铁液迅速充满铸型；后期的“慢”是为了使铸型内的金属液，由动压力逐步变成静压力，以减少铸件产生缩松。建议在生产过程中，采取综合措施，防止铸件出现冷隔缺陷。

2 冷隔的特征

冷隔是在铸件上构成未能真正熔合为一体、大小不一及不规则的空洞、凹坑和缝隙，缝隙穿透或不穿透铸件壁（见图1），它们的交界处一般是光滑的圆角。冷隔常产生在铸件的上表面或远离内浇口的薄壁处。

图1 冷隔形态

冷隔缺陷的产生与铁液的流动性有直接关系，铁液从浇注到凝固之前，其流动性经历了三个阶段：纯液态流动性；结晶态流动性；铁液前段结壳合拢。

3 冷隔产生的机理

对于产生冷隔机理的研究，其实就是对影响铁液流动性诸因素的分析研究。尽管影响铁液流动性的因素很多，但是归纳起来主要有以下几方面。

（1）化学成分和浇注温度的影响铁液的化学成分及浇注温度均可影响到铁液的流动性，图2为铁-碳相图，图3为铁液碳含量与流动性的关系。

图2 铁-碳相图

浇注温度越高，铁液的含热量越多，流动性就越好。为了比较不同化学成分铁液的流动性，我们假设各种成分的铁液都取相同的浇注温度。

图2表明，对碳含量（质量分数）大于、等于或小于4.3%的铸铁，都采用相同的浇注温度（1400℃）下的状态。从图3可以看出，含碳量越接近共晶成分，纯液态流动距离（时间）越长，液的流动性越好。这是因为碳当量（CE）越接近共晶成分，铁液开始结晶凝固点越低，虽然浇注温度相同，但是因为越接近共晶成分的铁液过热度越高，延长了铁液流动时间，因此流动性就好，从而可以得出如下结论。

图3 铁液碳含量与流动性的关系

1）在相同的浇注温度下，由于接近共晶成分铁液的过热度相对高，所以流动性好；反之，当铁液成分远离共晶成分时，流动性就变差。

2）提高铁液过热度是改善流动性的重要措施。

我们知道，铁液流动性是纯液态流动与结晶态流动之和，在相同过热度时，各种成分铁液的纯液态流动性基本相同，而在结晶态下流动性却有很大的差别，这是因为不同成分铸铁的结晶特点不同。共晶成分铁液是在一定的凝固温度下结晶，冷却凝固过程是有表向里逐层凝固的，已凝固的硬壳表面光滑，还未凝固的铁液在硬壳内流动时阻力小，结晶态下流动距离长，因此共晶成分铁液的流动性好。而其他成分铸铁的凝固，是在一个温度范围内进行的（液相线与固相线的温度距离），即存在开始凝固温度与凝固终了温度，有一个液态和固态并存的区域。这个凝固温度区域越大，即这个液相＋固相并存区域就越大，在这种状态下，金属液内先生成的树枝状结晶粒，把铁液隔成许多小熔池，铁液流经迂回曲折，流动阻力较大，因此铁液在液相＋固相并存区域内结晶的流动性差。

从以上分析得出，共晶成分铁液由于有一定凝固温度，逐层凝固，也就是说铁液在“凝固-流动-结晶-流动-凝固”的过程中道路畅通，所以在结晶态下的流动性能力强，流动性好；而具有凝固温度范围的铁液，在结晶态下的流动性有阻力，所以流动性差。这就是化学成分与浇注温度对铁液流动性的综合影响。

（2）砂型的特点和浇注条件对铁液流动性的影响砂型的特点对流动性的影响，主要表现在砂型的阻力和导热能力方面。

1）砂型阻力：砂型几何形状的不同，对铁液流动的畅通影响就不同，如断面的大小、厚薄、几何形状的复杂程度等。

2）导热性能：要求砂型发气量少、透气性好。加入导热性能好的附加物（如煤粉、焦炭粉等物），来均匀内外层的受热作用，从而提高其热体积稳定性。

浇注条件对流动性的影响，主要表现在浇注温度和外力方面。外力方面是指浇注速度的快慢、铁液流的大小以及浇包距砂型的高低等。

（3）浇冒口系统的设计在浇注过程中，铁液与砂型接触后，型砂因受热而产生大量气体，型腔内的气体受热也随之急剧膨胀，二者重合起来使型腔内的气体急剧增加，在此情况下型腔内的气体如果不能顺利排出，就会阻碍铁液的流动和顺利充满铸型。为此，除要求型砂含水分低、发气量少、透气性能良好之外，还需要合理设置排气冒口，多（方位）扎设排气眼，并使（如上下箱在没有开箱起模之前，从上箱扎排气孔，直接与下箱型砂扎透）排气管道畅通无阻，这些都是防止铸件出现冷隔（气孔）缺陷而在工艺上常采取的有效措施。

4 具体操作中产生冷隔的原因

1）浇注温度太低，浇注速度过慢，浇注时间过长。

2）化学成分不合格，碳当量（CE）太低或太高，即远离了共晶点，降低了铁液的流动性。

3）铸件断面厚薄差太大，或断面薄且长。铁液在充型途中，降低了铁液的流速，铁液散热过量，使铁液不能很好地充满型腔。

4）浇注过程中意外发生中断。

5）当铁液温度稍低时，浇包距砂型距离太小，或浇速缓慢，铁液动压力不足，使流动性本来就差的铁液流的更加缓慢。

6）上砂箱太矮，直浇口太短，又没有加设浇口杯，致使铁液动静压力不足。

7）砂型太湿，吸热量过大。型砂受热后产生大量的水蒸汽，或砂型中煤粉以及其他产生气体的物质太多，导致生成大量的气体，如果铸型排气性能不好，则增加了型腔内的气体阻力，阻碍了金属液体的流动。

8）出炉温度过高，金属液过度氧化，或其中非金属夹杂物质多，降低了铁液的流动性和熔接性。氧化的铁液表面白亮，看似温度很高，但流动性却差（一线的老师傅称之为“假高温、不走路”）。

9）内浇道开设的太薄且长，或内浇道开设的位置不合理，铁液流经内浇道时流速慢、散热量大（薄壁铸件的内浇道厚度可占铸件厚度的2/3），当铁液汇集接头时，各接头的表面张力已很大而不能互熔，故造成铸件冷隔。

10）球化处理、扒渣后，没有加盖保温剂。

11）抬包浇注过程中，工人的浇注姿势不正确，浇注的铁液流“细、高、慢”，从而延长、增加了铁液与空气的接触时间及面积，使铁液更加降温并氧化。

5 防止产生冷隔的措施

1）当金属液具有适当的浇注温度及足够的流动性条件下，浇注工的操作技术，对于防止铸件出现冷隔有着至关重要的作用。浇注工应根据铸件的大小、壁厚、几何形状的不同，正确控制浇注温度和浇注速度。一般情况下应采用“先快后慢”的浇注方法，“先快”产生的动压力使铁液尽快充满型腔；“后慢”旨在以静压力的方式，使型腔内的铁液平稳充实。但是如果铸件的大平面在上面，比如大型变速箱的下箱体，浇注后期不能慢，更不能停。当然浇注这种类型的铸件，在工艺上还应采取如增高上箱高度、加设足够高的浇口杯等措施。

2）在不影响铸件质量要求下，调整、改变化学成分的含量，使其碳当量（CE）尽量接近共晶点，以提高流动性。

3）冲天炉炉工应合理控制风压、风量、风口直径、底焦高度，防止铁液的氧化。控制炉料质量，尽可能减少铁液中的夹杂物，清理干净包内的熔渣，覆盖保温集渣剂。

电炉炉工应使用质量合格的炉料，多次扒渣，并根据铸件的大小、厚薄及几何形状的不同，控制出炉温度。

4）为加快铁液充填铸型的速度，应适当加大浇口的横断面积；合理选择铁液引入铸型的位置，尽量缩短铁液的流程；提高充型的动压力及静压力。

5）选用质量合格的煤粉、陶土等添加物，适当减少砂型中发气物质的用量，提高砂型的透气性。

6）在铸型适当的位置设置排气冒口。如果在铸件的最高处不能直接放置排气冒口，那就要在最高处的边部开设边排气冒口。

6 生产实例

例1：某厂生产差速器右壳，采用黏土砂造型，多触头微震造型机。球化处理温度及浇注温度的改变过程：球化温度从1490~1510℃降至1410~1430℃，首浇温度从1410~1390℃逐步降至1360~1380℃、1340~1360℃、1310~1330℃，尾浇温度均≥1260℃，既解决了铸件的缩孔缺陷，又避免铸件产生冷隔缺陷［1］。

例2：某厂生产汽车上的4 11壳铸件，造型采用树脂砂套壳工艺，原来的球化处理温度为1570~1580℃，优化后的球化处理工艺见表1[2]。