铸铁件缩孔和缩松缺陷防止方法

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       缩松缺陷的解决方案是影响产品成本的重要因素，它直接影响铸件的工艺出品率、生产效率。铸件的补缩效果与铸件材料和结构有直接的关系。虽然根据材料的凝固特点，灰铸铁件较易补缩，球墨铸铁件较难补缩，但如果没有补缩通道，即使是灰铸铁，其补缩也较难实现。例如HT250材料的制动盘结构简单，由于没有补缩通道，常常产生缩松缺陷；而若有较好的补缩通道，球铁曲轴也不易产生缩松缺陷。常用的消除或者减小缩松缺陷的方法一般有:冒口补缩、熔炼浇注工艺调整控制、冷铁激冷以及采用冷却筋、散热片和导热率高的型砂、芯砂局部加速冷却等。以下是笔者公司使用这些方法解决缩孔缩松缺陷的实例。

      冒口补缩

      冒口补缩是优先考虑的方法，也是应用最广泛的方法。在设计浇注系统时即须通过合理选择铸件、冒口颈、冒口三者的模数关系，达到用冒口补缩的目的；但由于铸件形状的复杂性，理论计算与实际情况有较大差异，冒口、冒口颈的大小要经过不断地调整才能达到预期目标。

      目前，保温冒口和发热冒口得到了广泛应用。保温冒口、发热冒口不但能够减小或消除缩松缺陷，还可以提高工艺出品率10%以上，尤其在生产中、大件时使用保温或发热冒口经济性更好。

      笔者公司生产轿车曲轴、叉车转向桥铸件时都使用保温发热冒口，在遇到解决缩松(孔)很困难的情况时，推荐的方法也是使用保温发热冒口。例如，生产轿车发动机球铁轴承盖时，因缩松很难消除，使用铸件本体冒口，工艺出品率只有30%，而使用保温冒口，出品率提高到了50%以上，有比较高的经济性。

      熔炼及浇注工艺的调整和控制

      如果铸件只有很小的微观缩松或者显微缩松，可以考虑通过调整和控制熔炼浇注工艺来解决。要注意的是，这种方法只适用于缩松或者显微缩松比较轻微，x射线检查没有发现每个铸件都有这种缺陷，也就是出现缩松缺陷的铸件比例不高时。

      1、化学成分方面的控制

      ①适当提高CE

      CE高，铁液凝固过程中石墨化膨胀能力强，可以对铸件起到一定的补缩作用；但提高CE的方法只能在铸件性能满足技术要求的前提下才能被采纳。

      ②对球铁件要严格控制ω（Mg残）量

      为了得到较好的球化率，ω（Mg残）量一般要高于0.03%，而由于Mg增大铁液的收缩倾向，从防止缩松考虑，ω（Mg残）量应越低越好；兼顾到工艺控制的难度，实际生产中一般采用的控制范围为0.035%~0.05%。

      ③注意Sn的影响

      一般情况下，Sn对珠光体的促进作用是Cu的10倍，为了得到同样的珠光体量，使用Sn的成本比使用Cu的成本低，但由于Sn增大收缩性倾向明显，易导致缩松或者显微缩松缺陷。笔者公司有些曲轴铸件加入Cu时，质量没有问题，但加入Sn时，加工磨削后即可发现曲轴连杆轴颈部位出现了缩松缺陷，这说明Sn对铸件的收缩性影响较Cu大。

      2、孕育剂的选择

      采用适当的孕育剂也可以改善缩松倾向，尤其是在改善显微缩松方面效果更好。例如，采取加硫氧的孕育剂孕育，可以在一定程度上减轻显微缩松。如我公司生产的转向机壳体，在使用一般的普通硅铁孕育剂时，存在显微缩松，导致疲劳试验不能通过；采用硫氧孕育剂后，显微缩松情况得到改善，疲劳试验达到了用户的技术要求。图1反映了使用硫氧孕育剂与非硫氧孕育剂的组织区别。

         

                               
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                   （a）采用普通硅铁孕育有显微缩松

         

                               
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                （b）使用脱氧孕育剂孕育（无显微缩松）

                 图1  孕育剂对转向机缸体显微缩松的影响

        3、浇注温度选择

        浇注温度高低对补缩的利弊不能一概而论，因为铸件结构和补缩工艺不同，浇注温度的影响也有所不同。

        一般情况下，若采用冒口补缩，较高的浇注温度能够提高冒口的补缩效果，若不采用冒口补缩，则应该选择较低的浇注温度。

        浇注温度的选择与铸件大小、壁厚有直接的关系。制动钳类铸件的浇注温度1380~1430℃比较合适；而排气管类的薄壁件浇注温度应适当高些，一般在1390~ 1450℃；曲轴类厚大件温度可适当低些，但一般不能低于1360℃。在批量生产的过程中，应通过实践数据统计结果选择出合理的浇注温度控制范围。

        通过熔炼浇注工艺调整解决补缩问题应在满足铸件其它技术要求的前提下进行。例如调整浇注温度应考虑到对孕育效果、铸件气孔倾向等有影响；调整成分应考虑到对力学性能的影响。

        冷铁激冷

        冷铁法解决缩孔缺陷的原理是使热节部位快速冷却。一般冷铁只能将缺陷移位，即将缺陷移到非关键部位，而不能将缺陷消除，除非有足够的补缩通道，实现顺序凝固，才能将缺陷移到最后凝固的冒口中。冷铁的应用也比较常见，使用冷铁可以达到减小冒口，提高工艺出品率的目的。

      笔者公司生产的转向机缸体，以前使用本体发热冒口消除内部的缩松缺陷，后来改用冷铁同样达到了相同的效果，质量更加稳定。原因是由于使用本体发热冒口时，在冒口与铸件本体连接的部位，因热量集中，凝固晚，导致铸件硬度偏低、石墨形态差等质量问题，见图2。笔者公司的排气管、磁悬浮连接件都很好地使用了冷铁方案来解决内部的缩松质量问题。

      冷铁的激冷速度快，因此解决缩松类缺陷的效果比较好，但对浇注温度、孕育条件要求也比较高，若孕育不好或者浇注温度过低，与冷铁接触的部位易出现渗碳体。

         

                               
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                     图2  转向机缸体采用发热冒口补缩改为冷铁激冷

      用冷却筋或散热片加速冷却

      冷筋的作用原理与冷铁相似，但可以免除冷铁制造引起成本增加的缺点。在易产生缺陷的热节部位附近模具上设置直径5~8 mm的细棒，或厚2~5 mm的散热薄片，浇注后，细圆棒或者薄片快速凝固，快速散热，带动该热节部位凝固速度加快，相当于在该位置放置了一块冷铁，将缩松移位或者消除。图3是使用冷筋或者散热薄片的示意图，以及排气管铸件使用冷筋的照片。

         

                               
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                    图3  采用冷筋消除排气管的缩松

      采用导热率高的型砂、芯砂加速冷却

      在热节部位使用蓄热系数高和导热率高的造型、制芯材料，也是加快热节部位的冷却速度，转移或者消除缩松的方法之一。

      在实际生产中，铬铁矿砂、锆砂用得较多，可将铬铁矿砂或者锆砂混制成型砂或者芯砂，在热节部位使用。笔者公司使用铬铁矿砂制芯，防止了转向机缸盖中心孔部位、曲轴连杆颈部位等铸件产生缩松缺陷。如图4所示的转向机缸盖，用铬铁矿砂芯解决了中心孔的缩松问题。

         

                               
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                         图4  转向机缸盖及其铬铁矿砂砂芯

      解决铸件缩松类质量缺陷的方法有多种，要根据铸件的结构和铸造厂的实际情况选取合适的方法。与此同时，也要考虑对成本、工艺流程的影响，以及铸件的质量要求和使用特点等。没有必要花过高的成本去消除无关紧要的缩松缺陷，但必须花成本去消除关键位置的缩松缺陷，否则会造成严重的质量后果，甚至会导致汽车的召回。

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