一般來說，球墨鑄鐵件的縮孔縮松傾向遠(yuǎn)大于灰鑄鐵件。防止收縮缺陷通常是工藝設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常困難的問題。在這方面，從實(shí)際生產(chǎn)中總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)非常不一致，各有各的見解：有人認(rèn)為應(yīng)該遵循順序凝固的原則，在最后一個(gè)凝固部位放置一個(gè)大的冒口，以補(bǔ)充鑄件在凝固過程中的體積收縮；有人認(rèn)為球墨鑄鐵鑄件只需要小冒口，有時(shí)候沒有冒口也能生產(chǎn)出聲音的鑄件。

　　為了在保證鑄件質(zhì)量的情況下極大限度地提高工藝成品率，僅僅依靠控制鑄鐵的化學(xué)成分是不夠的。在了解球墨鑄鐵凝固特性的基礎(chǔ)上，必須有效控制鑄鐵熔煉、球化處理、孕育處理和澆注操作的全過程，有效控制模具的剛性。

　　一、球墨鑄鐵的凝固特性

　　實(shí)踐中使用的球墨鑄鐵大多接近共晶成分。厚壁鑄件采用亞共晶成分，薄壁鑄件采用過共晶成分，但距離共晶成分不遠(yuǎn)。

　　在共晶和過共晶球墨鑄鐵中，小石墨球在共晶凝固過程中首先從液相中析出。即使是亞共晶球墨鑄鐵，由于球化處理和孕育處理后鐵水過冷度的增加，在遠(yuǎn)高于平衡共晶轉(zhuǎn)變溫度的溫度下，小石墨球也會(huì)先析出。第1批小石墨球是在1300或更高溫度下形成的。

　　在隨后的凝固過程中，隨著溫度的降低，一些最初的小石墨球長大，一些重新溶解到鐵水中，新的石墨球析出。石墨的沉淀和生長是在很寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。

　　當(dāng)石墨球長大后，其周圍鐵水中碳含量降低，石墨球周圍會(huì)形成一層包圍石墨球的奧氏體殼。奧氏體殼的形成時(shí)間與鑄件在模具中的冷卻速度有關(guān)：冷卻速度快時(shí)，鐵水中碳不能均勻擴(kuò)散，奧氏體殼形成較早；低冷卻速率有利于碳在鐵水中的均勻擴(kuò)散，奧氏體殼形成較晚。

　　在奧氏體殼形成之前，石墨球與含碳量高的鐵水直接接觸，鐵水中的碳容易擴(kuò)散到石墨球中，使石墨球長大。奧氏體殼形成后，阻止了鐵水中碳向石墨球的擴(kuò)散，石墨球的生長速度急劇下降。由于石墨從鐵水中析出時(shí)釋放的結(jié)晶潛熱較大，約為3600 J/g，奧氏體從鐵水中析出時(shí)釋放的結(jié)晶潛熱較小，約為200 J/g，石墨球周圍奧氏體殼的形成和石墨球的生長受到阻礙，結(jié)晶潛熱的釋放將明顯減緩。在這種情況下，共晶凝固依賴于進(jìn)一步降低溫度來產(chǎn)生新的晶核。因此，球墨鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變應(yīng)在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)完成，其凝固溫度范圍是灰鑄鐵的兩倍或更多，具有典型的糊狀凝固特征。簡單地說，球墨鑄鐵的凝固特性主要包括以下幾個(gè)方面。

　　1.凝固溫度范圍寬

　　從鐵碳合金的平衡圖來看，共晶成分附近的凝固溫度范圍并不寬。事實(shí)上，經(jīng)過球化和孕育后，鐵水的凝固過程偏離平衡條件非常遠(yuǎn)。在共晶轉(zhuǎn)變溫度(1150)以上150左右，石墨球開始析出，共晶轉(zhuǎn)變末期的溫度可能比平衡共晶轉(zhuǎn)變溫度低50左右。

　　凝固溫度范圍如此之寬的合金是通過膏劑凝固的，因此很難實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固。因此，根據(jù)鑄鋼件的冒口設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固，在最終凝固的熱點(diǎn)設(shè)置一個(gè)大的冒口并不是很合適。

　　由于石墨球在很高的溫度下沉淀并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，液固相長期共存，鐵水凝固過程中液體收縮和凝固收縮同時(shí)發(fā)生。因此，像鑄鋼件一樣，不可能通過澆注系統(tǒng)和冒口充分補(bǔ)充液體收縮。

　　2.共晶轉(zhuǎn)變過程中石墨的沉淀導(dǎo)致體積膨脹。

　　在共晶溫度附近，奧氏體密度約為7.3g/cm3，石墨密度約為2.15g/cm3。在鑄件凝固過程中，石墨的析出會(huì)導(dǎo)致體系體積膨脹，每1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的析出石墨體積膨脹約3.4%。

　　鑄鐵中適當(dāng)使用石墨化膨脹可以有效補(bǔ)償凝固過程中的體積收縮，在一定條件下，可以生產(chǎn)出無冒口的鑄件。

　　需要強(qiáng)調(diào)的是，在共晶轉(zhuǎn)變過程中，灰鑄鐵和球墨鑄鐵都會(huì)析出石墨并發(fā)生體積膨脹。然而，由于兩種鑄鐵中石墨的形態(tài)和生長機(jī)理不同，石墨化膨脹對鑄鐵鑄造性能的影響也大不相同。

　　在灰鑄鐵的共晶團(tuán)中，與鐵水直接接觸的片狀石墨尖端首先生長，石墨生長引起的體積膨脹大部分作用在與石墨尖端接觸的鐵水上，有利于迫使其填充奧氏體枝晶之間的間隙，從而使鑄件更加致密。

　　球墨鑄鐵中的石墨是在被奧氏體殼包圍的條件下長大的。石墨球生長的體積膨脹主要是由于奧氏體殼層作用于相鄰的共晶團(tuán)，可能被推出來擴(kuò)大共晶團(tuán)之間的間隙，也容易通過共晶團(tuán)作用于模具壁，導(dǎo)致模具壁運(yùn)動(dòng)。

　　3.在鑄件凝固過程中，石墨化膨脹容易引起模壁運(yùn)動(dòng)。

　　球墨鑄鐵通過糊狀凝固而凝固。當(dāng)鑄件開始凝固時(shí)，鑄件在模具-金屬界面處的外表面層比灰鑄鐵薄得多，且生長緩慢。即使時(shí)間長了，表層仍然是一層薄殼，強(qiáng)度低，剛性差。當(dāng)內(nèi)部發(fā)生石墨化膨脹時(shí)，如果外殼不足以承受膨脹力，它可能會(huì)向外移動(dòng)。如果模具剛性差，模具壁會(huì)移動(dòng)，型腔會(huì)膨脹。這樣不僅會(huì)影響鑄件的尺寸精度，而且石墨化膨脹后的縮孔也不會(huì)得到補(bǔ)充，從而導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷。4.共晶奧氏體中碳含量高于灰鑄鐵。

　　根據(jù)美國R. W.Heine的研究報(bào)告，在球墨鑄鐵共晶凝固過程中，奧氏體中碳的含量高于灰鑄鐵。

　　灰鑄鐵共晶凝固過程中，共晶團(tuán)中的石墨片與奧氏體和高碳含量的鐵水接觸。鐵水中碳除奧氏體外直接擴(kuò)散到石墨薄片中，因此鐵水與奧氏體界面奧氏體中碳含量低，約為1.55%。

　　球墨鑄鐵共晶凝固過程中，共晶團(tuán)中的石墨球只與奧氏體殼接觸，不與鐵水接觸。當(dāng)石墨球長大后，鐵水中的碳通過奧氏體殼擴(kuò)散到石墨球中。因此，在鐵水和奧氏體的界面處，奧氏體中的碳含量很高，達(dá)到約2.15%。

　　球墨鑄鐵共晶凝固過程中，奧氏體中碳含量可能較高。在碳含量和硅含量相同的條件下，如果保持相同的冷卻速度，析出石墨的量會(huì)較少，因此共晶凝固時(shí)的體積收縮會(huì)略大于灰鑄鐵。這也是球墨鑄鐵鑄件容易出現(xiàn)縮孔縮松缺陷的原因之一。在凝固過程中保持低冷卻速率是有利于石墨充分沉淀的一個(gè)因素。

　　在充分石墨化的條件下，共晶奧氏體中的碳含量(即碳在奧氏體中的大固溶度)與鑄鐵中的硅含量有關(guān)，一般可按下式計(jì)算。

　　碳在奧氏體中的大固溶度ce為2.045-0.178si。

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