图1
灰铸铁和球墨铸铁共晶凝固时奥氏体中的碳含量 a、灰铸铁；b、球墨铸铁
2
灰铸铁共晶凝固时， 共晶团中的石墨片既与奥氏体接触， 也与碳含量高的铁液直接接触， 铁液中的碳，除通过奥氏体向石墨扩散外，也直接向石墨片扩散，因而铁液－奥氏体界面处 奥氏体中的碳含量较低，约为 1.55%左右。 球墨铸铁共晶凝固时，共晶团中的石墨球只与奥氏体壳接触，不与铁液接触，石墨球长 大时，铁液中的碳都通过奥氏体壳向石墨球扩散，因而，铁液－奥氏体界面处奥氏体中的碳 含量较高，可达到 2.15%左右。 球墨铸铁共晶凝固时，奥氏体中的碳含量可能较高，在碳含量、硅含量相同的条件下， 如保持同样的冷却速率，则析出的石墨量较少，因而，共晶凝固时的体积收缩会略大于灰铸 铁。这也是球墨铸铁件较易产生缩孔、缩松缺陷的原因之一。凝固过程中保持较低的冷却速 率，是有利于石墨充分析出的因素。 在能使石墨化充分的条件下，共晶奥氏体中的碳含量（即碳在奥氏体中的最大固溶度） 与铸铁中的硅含量有关，一般可按下式计算。 碳在奥氏体中的最大固溶度 CE =2.045－0.178 Si 二、球墨铸铁件凝固过程中的体积变化 从铁液浇注到铸型中起，到共晶凝固终了、铸件完全凝固，型腔内的铸铁会发生液态收 缩、析出初生石墨所致的体积膨胀、析出共晶奥氏体所致的凝固收缩、析出共晶石墨所致的 体积膨胀等几种体积变化。 为便于说明球墨铸铁凝固过程中的体积变化， 需要参照图 2 所示 的简略相图。
100－C X 共晶液相量V共液＝ 100 （%） 100 CC
单位共晶液相中析出的奥氏体量V奥
100 CC 100 （%） 100 C E
S 100 C X 100 CC 析出奥氏体所致的体积收缩量S奥＝1－ L 3.5 （%） 100 100 CC 100 C E
液态收缩量 （%）
3
2、析出初生石墨所致的体积膨胀 虽然亚共晶球墨铸铁在液相线温度以上也会析出小石墨球， 但其量很少， 通常都忽略不 计。现以碳含量为 CX 的过共晶铸铁为例。
C CC 初生石墨量G初＝ X 100 （％） 100 CC
式中 CX — 铸铁的碳含量（%） ； CC — 共晶碳含量（4.27－1/3Si） （%） 。 前面已经提到，每析出 1%（质量分数）的石墨可产生 3.4%的体积膨胀，因此，析出初 生石墨所致的体积膨胀等于 3.4G 初。 几种碳、硅含量不同的球墨铸铁析出初生石墨所致的体积膨胀见表 2。 析出初生石墨虽然能弥补铸铁凝固过程中的液态收缩，但对于壁厚 40mm 以上的铸件， 容易产生石墨夹渣或石墨漂浮等缺陷。在这种情况下，应特别注意控制碳、硅含量。 表2 铸铁的碳含量 铸铁的硅含量 共晶碳含量 CC 初生石墨析出量 G 初 几种球墨铸铁析出初生石墨所致的体积膨胀 （%） （%） （%） 3.6 2.2 0.06 3.5 2.4 3.47 0.03 0.10 3.6 2.4 3.47 0.13 0.44 3. 7 2. 4 3.47 0.24 0.82 3.6 2.6 3.40 0.21 0.71 3.7 2.6 3.40 0.31 1.05 3.8 2.6 3.40 0.41 1.39
（%） 99.94
单位共晶液相中析出的奥氏体量
1400℃浇注时奥氏体的体积收缩量 （%） 3.30 1350℃浇注时奥氏体的体积收缩量 （%） 3.33 1300℃浇注时奥氏体的体积收缩量 （%） 3.35
4、析出共晶石墨所致的体积膨胀 计算析出共晶石墨所致的体积膨胀，要考虑共晶液相量、液态收缩量、自单位共晶液相 析出的石墨量和析出石墨时的体积膨胀量。液态收缩量的计算已见前述。每析出 1%（质量 分数）的石墨可产生 3.4%的体积膨胀。
1350℃浇注时奥氏体的体积收缩量 （%） 6.26 1300℃浇注时奥氏体的体积收缩量 （%） 6.31
5、几种常用球墨铸铁凝固过程中体积变化的总体情况 根据以上对液态收缩、析出初生石墨的体积膨胀、析出共晶奥氏体所致的体积收缩、析 出共晶石墨所致的体积膨胀所作的分析， 前面所说的 7 种常用的球墨铸铁， 铁液在不同的温 度下浇注时，铸件凝固过程中的体积变化的总体情况见表 5。
100－CC 单位共晶液相中析出的石墨量G共晶＝ 100(%) 100 C E
S 100 C X CC C E 析出共晶石墨所致的膨胀量PG 1 L 100 3.4(%) 100 100 CC 100 C E
几种碳、硅含量不同的球墨铸铁析出共晶石墨所致的体积膨胀量见表 4。 表4 铸铁的碳含量 铸铁的硅含量 单位共晶液相中析出的石墨量 1400℃浇注时石墨的体积膨胀量 几种球墨铸铁析出共晶石墨所致的体积膨胀 （%） 3.6 （%） 2.1 （%） （%） 6.21 6.21 6.26 6.31 6.21 6.26 6.31 3.5 2.3 3.6 2.3 3.7 2.3 ～1.9 6.20 6.25 6.30 6.20 6.25 4.30 6.20 6.25 6.30 6.19 6.24 6.29 3.6 2.5 3.7 2.5 3. 8 2. 5
1
2、共晶转变过程中石墨的析出导致体积膨胀 在共晶温度附近，奥氏体的密度约为 7.3g/cm3，石墨的密度约为 2.15g/cm3。铸件凝固 过程中， 石墨的析出会导致系统的体积膨胀， 大约每析出 1% （质量分数） 的石墨可产生 3.4% 的体积膨胀。 妥善地利用铸铁中的石墨化膨胀， 可以有效地补偿凝固过程中的体积收缩， 在一定的条 件下，可以不用冒口生产健全的铸件。 应该着重提出的是：灰铸铁和球墨铸铁都在共晶转变过程中析出石墨、发生体积膨胀， 但是， 由于两种铸铁中石墨形态和长大的机制不同， 石墨化膨胀对铸铁铸造性能的影响也很 不一样。 灰铸铁共晶团中的片状石墨， 与铁液直接接触的尖端优先长大， 石墨长大所发生的体积 膨胀大部分作用于石墨尖端接触的铁液， 有利于迫使其填充奥氏体枝间的空隙， 从而使铸件 更为致密。 球墨铸铁中的石墨， 是在奥氏体外壳包围的条件下长大的， 石墨球长大所发生的体积膨 胀主要是通过奥氏体外壳作用在相邻的共晶团上， 有可能将其挤开， 使共晶团之间的空隙扩 大，也易于通过共晶团作用在铸型的型壁上，导致型壁运动。 3、铸件凝固过程中石墨化膨胀易使铸型发生型壁运动 球墨铸铁以糊状凝固方式凝固， 铸件开始凝固时， 铸型－金属界面处的铸件外表面层就 比灰铸铁薄得多，而且增长很慢，即使经过了较长的时间，表层仍然是强度低、刚度差的薄 壳。内部发生石墨化膨胀时，这种外壳不足以耐受膨胀力的作用下，就可能向外移动。如果 铸型的刚度差，就会发生型壁运动而使型腔胀大。结果，不仅影响铸件的尺寸精度，而且石 墨化膨胀以后的收缩得不到补充，就会在铸件内部产生缩孔、缩松之类的缺陷。 4、共晶奥氏体中的碳含量高于灰铸铁 据美国 R. W. Heine 的研究报告，球墨铸铁共晶凝固过程中，奥氏体中的碳含量高于灰 铸铁中奥氏体的碳含量，如图 1 所示。
球墨铸铁的凝固特性和铸件冒口的设置
中国铸造协会 李传栻 一般说来，球墨铸铁件产生缩孔、缩松的倾向比灰铸铁件大得多，防止收缩缺陷往往是 工艺设计中十分棘手的问题。在这方面，从实际生产中总结出来的经验很不一致，各有自己 的见解：有人认为应该遵循顺序凝固的原则，在最后凝固的部位放置大冒口，以补充铸件在 凝固过程中产生的体积收缩； 有人认为球墨铸铁件只需要采用小冒口， 有时不用冒口也能生 产出健全的铸件。 要在确保铸件质量的条件下最大限度地提高工艺出品率， 仅仅依靠控制铸铁的化学成分 是不够的，必须在了解球墨铸铁凝固特性的基础上，切实控制铸铁熔炼、球化处理、孕育处 理和浇注作业的全过程，而且要有效地控制铸型的刚度。 一、球墨铸铁的凝固特性 实际生产中采用的球墨铸铁，大多数都接近共晶成分。厚壁铸件采用亚共晶成分，薄壁 铸件采用过共晶成分，但偏离共晶成分都不远。 共晶成分、过共晶成分的球墨铸铁，共晶凝固时都是先自液相中析出小石墨球。即使是 亚共晶成分的球墨铸铁， 由于球化处理和孕育处理后铁液的过冷度增大， 也会在远高于平衡 共晶转变温度的温度下先析出小石墨球。第一批小石墨球在 1300℃甚至更高的温度下就已 形成。 在此后的凝固过程中，随着温度的降低，首批小石墨球有的长大，有的再次溶入铁液， 同时也会有新的石墨球析出。石墨球的析出和长大是在一个很宽的温度范围内进行的。 石墨球长大时， 其周围的铁液中碳含量降低， 就会在石墨球的周围形成包围石墨球的奥 氏体外壳。奥氏体外壳形成的时间与铸件在铸型中的冷却速率有关：冷却速率高，铁液中的 碳来不及扩散均匀，形成奥氏体外壳就较早；冷却速率低，有利于铁液中的碳扩散均匀，奥 氏体外壳的形成就较晚。 奥氏体外壳形成以前， 石墨球直接与碳含量高的铁液直接接触， 铁液中的碳易于向石墨 球扩散，使石墨球长大。奥氏体外壳形成后，铁液中的碳向石墨球的扩散受阻，石墨球的长 大速度急剧下降。由于自铁液中析出石墨时释放的结晶潜热多，约 3600 J/g，自铁液中析出 奥氏体时释放的结晶潜热少，约 200 J/g，在石墨球周围形成奥氏体外壳、石墨球的长大受 阻，就会使结晶潜热的释放显著减缓。在这种条件下，共晶凝固的进行要靠进一步降低温度 以产生新的晶核。因此，球墨铸铁的共晶转变要在颇大的温度范围内完成，其凝固的温度范 围是灰铸铁的二倍或更多一些，具有典型的糊状凝固特性。 简略说来，球墨铸铁的凝固特性主要有以下几方面。 1、凝固温度范围宽 从铁－碳合金的平衡图看来，在共晶成分附近，凝固的温度范围并不宽。实际上，铁液 经球化处理和孕育处理后，其凝固过程偏离平衡条件很远，在共晶转变温度（1150℃）以上 150℃左右，即开始析出石墨球，共晶转变终了的温度又可能比平衡共晶转变温度低 50℃左 右。 凝固温度范围这样宽的合金，以糊状凝固方式凝固，很难使铸件实现顺序凝固。因此， 按铸钢件的冒口设计原则， 使铸件实现顺序凝固， 在最后凝固的热节部位设置大冒口的工艺 方案不是很合适的。 由于在很高的温度下即有石墨球析出，并发生共晶转变，液－固两相共存的时间很长， 铁液凝固过程中同时发生液态收缩和凝固收缩。因此，要像铸钢件那样，通过浇注系统和冒 口比较充分地补充—共晶奥氏体中的碳含量（%） 。 几种碳、硅含量不同的球墨铸铁析出共晶奥氏体所致的体积收缩量见表 3。