球墨铸铁的凝固特性和铸件冒口的设置

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液态收缩也是不太可能的。