球墨铸铁凝固过程中的体积变化
2022-08-30
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兰州新区华新建材厂
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球墨铸铁凝固过程中的体积变化
液态金属在冷却凝固过程中发生体积变化，除少数金属和合金外，大多数的金属和合金凝固后体积收缩。如果没有外来金属在凝固的适当阶段多收缩形成的空间进行补充，收缩产生的那部分体积就会产生孔洞。收缩孔洞一般出现在铸件整体或局部冷却缓慢的地方。形状、尺寸、结构不同的凝固体温度分布不同，收缩体积和部位也会发生变化。有些收缩出现在处于封闭状态的凝固体内部，形成缩孔；有些收缩发生在凝固体表面，形成凹陷。凹陷大多发生在铸件的上表面，有时也出现在厚壁铸件的侧面。无论是内部缩孔还是外部缩陷，都是铸造缺陷。 球墨铸铁铸件凝固时发生的体积变化，是四个因素综合作用的结果。这四个因素综述如下。 ① 液态收缩。液态收缩是指铁水凝固前在降温过程中发生的体积收缩。浇入型腔的铁水体积随温度下降而缩小。甘肃球磨铸铁井盖 铁水温度下降时，其中大量原子的平均距离随之减小，开始发生液态收缩。当温度接近液-固相变温度时，液相中出现大量近程有序的原子集团。这些原子集团也因温度降低而靠近。铁水体积更明显缩小。当铁水温度稍低于液相线温度时，固相开始析出。存留的液相体积进一步收缩，直至凝固过程结束。 实验测定球墨铸铁铁水由出炉温度下降至开始析出固相过程中，每降温100℃，液相体积平均减少1.6%。在相同浇注温度下，液态收缩不因碳当量变化而改变。但是浇注温度低，液态平均收缩量减少。 ② 铁水中析出初生石墨导致体积膨胀。初生球状石墨是由铁水中直接析出的。过共晶或共晶球墨铸铁在液态下即有初生球状石墨析出。石墨晶体的密度远小于铁的密度，析出的石墨将使原有铁水体积膨胀。铁水膨胀量基本不受浇注温度影响，但与原铁水的碳当量密切相关。提高碳当量可以使石墨析出量增加，膨胀量相应增加。根据实验测定，碳当量达到4.7%时，铁水中直接析出石墨时的体积膨胀量可达1.5%左右。 ③ 铁水中析出奥氏体发生体积收缩。兰州球墨铸铁井盖铁水降温至亚共晶液相线以下时陆续有初生奥氏体和共晶奥氏体析出。由于奥氏体的密度大于铁水密度，凝固体将发生体积收缩。 ④ 共晶转变析出共晶石墨产生体积膨胀。共晶转变过程中析出共晶石墨，共晶石墨的析出量大于共晶转变前初生石墨的析出量，从而产生更大的体积膨胀量。对于亚共晶球墨铸铁析出奥氏体将产生大的体积收缩率，影响整个凝固收缩率。 过共晶或共晶球墨铸铁凝固时的体积变化类似。铁水由浇注温度下降到接近共晶转变温度过程中，因液态收缩大于析出初生石墨的体积膨胀，液相体积一直在下降。共晶转变开始后，共晶石墨大量析出，铁水体积迅速增加，达到峰值，产生共晶膨胀。直到石墨析出与降温两者导致的体积变化处于平衡状态时膨胀才结束。此后随着温度的继续下降，凝固体发生二次收缩。 亚共晶球墨铸铁在共晶转变前没有初生石墨析出，不会出现共晶前的石墨化膨胀。而共晶转变析出的石墨量则与碳当量密切相关。由于奥氏体的析出量一般是大于共晶球墨铸铁，因此铸件的体积收缩量一般大于共晶球墨铸铁。 球墨铸铁凝固体体积变化过程中可能在铸件中出现两种情况。一种情况是铁水的凝固体积收缩量与石墨析出产生的体积膨胀量相当，共晶膨胀力不断挤压收缩的熔液，共晶膨胀量补充了共晶转变产生的体积收缩。在这种情况下不需要外部铁水补充即可避免产生收缩缺陷。目前已经在一些厚大球墨铸铁铸件的生产中实现。这也是球墨铸铁无冒口铸造发展的一个方向，在实践生产中受各种因素的影响，成效并不明显，还有待继续摸索数据。 另一种情况是凝固体积收缩量大于石墨析出的体积膨胀量，凝固体将出现明显的体积收缩。这时需要外部铁水的补充。如果补充量不足，凝固体将会出现缩孔或者表面的缩陷。实际生产中大多数是这种情况。 需要注意的是共晶转变结束后发生的体积收缩对铸件致密度的影响。球墨铸铁结晶温度范围宽，凝固体的共晶团之间可能出现发育程度不同的晶体。此时内部熔液的共晶膨胀力大大减小，甚至出现负压状态。二次收缩就可能在这些生长着的晶体之间或共晶团边界产生收缩孔洞。即使外部铁水能够通过共晶团之间的弯弯曲曲的微小通道流动，但因晶体的阻碍，即使流入的液体能进入狭窄通道，也难以充分流入收缩产生的空间，产生细小的孔洞群，这就是常说的缩松缺陷。缩松通常分布在铸件的热节部位或厚大铸件的心部，主要存在于晶间。有的缩松缺陷肉眼可见，有些则十分细小，只有在显微镜下才能看到，称之显微缩松。
