鑄鐵件易產(chǎn)生的鑄造缺陷之一是針孔，它存在于鑄件表皮之下，一般在鑄件退火和噴丸清理后，甚至是在切削加工后才能發(fā)現(xiàn)，因此這種鑄造缺陷常常造成原材料、機加工時、能源的浪費，據(jù)文獻[1]，為開發(fā)新型機床，要求生產(chǎn)抗位強度達300MPa的灰鑄鐵。為達到高強度，在爐料中要加大量廢鋼，以降低鑄鐵的碳當量，抗拉強度提高了，但是隨之而來的因針孔缺陷造成廢品率大大提高。針孔是如何形成的，如何防止，成為開發(fā)新產(chǎn)品首先要解決的問題。

1 針孔形成機理

據(jù)文獻[2]，形成針孔的原因，主要取決于3方面。

（1）鐵液中的含氣量越高，越易形成針孔。

（2）非自發(fā)氣核的多少。針孔是由于在鐵液中形成的氣泡來不及逸出鑄件外面形成的?？勺鰹闅馀輾夂说挠需F液中夾雜物以及與鑄件接觸的鑄型表面上存在的微孔（微孔直徑在幾微米至幾百微米之間，再大將被鐵液充填，不能作為氣核），它們會成為氣泡形成的氣核，則鑄件易形成針孔缺陷，如果在面砂中加一些三氧化二鐵細粉，當鐵液注入鑄型后，會在型壁處形成一層玻璃態(tài)硅酸鐵，氣核大為減少，可以降低鑄件形成針孔的傾向性。

（3）鐵液表面張力的大小

鐵液表面張力與形成針孔的氣泡內(nèi)氣體含量有關(guān)。

氣泡內(nèi)氣體的壓力與鐵液中含氣量成正比，含氣量越高越易形成針孔。反過來講，同樣的鐵液含氣量，鐵液表面張力越小，則越易形成針孔。據(jù)文獻[1]，用于生產(chǎn)高強度灰鑄鐵的低碳當量鐵液，實測表面張力為402.7dyne/cm。

由于用75FeSi對鑄鐵進行孕育，使鐵液中含有微量鋁,圖1表明少量鋁會降低鐵液表面張力,當鐵液中含鋁量在0.%時,表面張力降至最低,含鋁量再高,表面力提高。

圖1中給出了一條虛線，凡表面張力大于650dyne/cm，則鑄件不會出現(xiàn)針孔。

如果在鑄件澆注前，于爐前能快速測鐵液的表面張力，就可以預(yù)測澆注的鑄保護區(qū)5上能否產(chǎn)生針孔。如查有形成針孔的危險性，及時采取工藝措施，避免因針孔缺陷造成的損失。

2、提高灰鑄鐵液表面張力的措施

根據(jù)文獻［4］，鐵液中C、Mn、Si、P等元素含量變化時都會對鐵液表面張力產(chǎn)生影響，但當含量變化不大時，影響較小，而鐵液中含氧量增高，表面張力會在為降低。

如果鐵液表面張力太低，有形成針孔缺陷傾向時，可采用含鋁較低的硅鐵做育劑，或采用新型高效孕育劑，減少孕育劑的加入量?？刹捎煤⊥凉梃F的復(fù)合型孕育劑參看文獻［1］，對高強度低碳當量鐵液，加入0.5% Si-Fe+0.3%1#稀土硅時,原鐵液含量由95.1%×10^-4%,表面張力402.7dyne/cn,變成含量為38.2×10^-4%,表面張力達854 dyne/cn,鑄件針孔缺陷消除。

加入0.3%左右的FeSiRE21,使鐵液脫氧、脫硫，從而提高了鐵表面張力，消除了鑄件形成針孔傾向性。

3 表面張力與鑄件中石墨形態(tài)的關(guān)系

     為研究鐵液表面張力與鑄鐵石墨形狀之間的關(guān)系，本研究在電爐中熔化鐵液，爐料為100%首鋼Z14生鐵，原鐵液化學成分ω（%）為：3.39C, 1.39Si, 0.69Mn, 0.076P, 0.149S。當鐵液溫度達到1450℃時，進行蠕化（或球化）處理，采用包底坑沖入法，處理后加一定量75SiFe進行孕育處理，將處理后鐵液倒入經(jīng)預(yù)熱的10號石墨坩堝中，扒出表面熔渣，插入熱電偶測溫，打開氬氣瓶，使氣路充滿氬氣，調(diào)節(jié)氣體流量達到合適值，下?lián)u毛細管夾持器，使毛細管接觸鐵液液面，記錄斜壓計中水柱液面讀數(shù)h_始，上移百分表，使百分表芯桿端部與夾持器下表面接觸，將百分表盤旋至零點，下降毛細管插入鐵液一定深度，由有分表記錄h₁，觀察斜壓計水柱讀數(shù)的最大值，記錄h_末。如此進行表面張力測定并計算，每次測量10個表面張力數(shù)值，取平均值做為測試結(jié)果。測試后澆注Φ30mm試棒，用QRMg8RE7及FeSiRE21兩種，以不同配比、不同加入量處理鐵液，以期得到多種石墨形態(tài)。

通過80余爐試驗，研究了表面張力、鐵液溫度與鑄鐵石墨結(jié)晶間的關(guān)系，其結(jié)果如表1、表2與圖2。

表1中65#為不加變質(zhì)劑的灰鐵鐵液，為使含硅量與其它各爐大致相同，向鐵液中加了1.17%Si進行孕育。

根據(jù)表2中的溫度、表面張力和石墨形態(tài)的對應(yīng)數(shù)據(jù)，在以表面張力-鐵液溫度坐標系中得出了3條曲線（見圖2），它們將坐標平面分成了4個區(qū)域，各自代表著不同類型石墨形態(tài)。

線1以下為普通片狀石墨鑄鐵區(qū)，當鐵液表面張力大于線1，而小于線2時，石墨片比較細小，進而隨著表面張力增高而出現(xiàn)片狀石墨+蠕墨+球墨，但達不到不含片狀的蠕墨鑄鐵狀態(tài)。鐵液表面張力達線2，則片狀石墨完全消失，在其線附近，石墨形態(tài)為75%~100%的蠕蟲狀石墨，而球狀石墨占0~25%。表面張力高于線2而低于線3時，則隨著表面張力增加，石墨晶體中球化率增高，蠕化率降低。當表面張力達線3時，球化率高達90%以上。線上部區(qū)域，為球墨鑄鐵區(qū)域。可見，隨著表面張力增高，石墨結(jié)晶將相應(yīng)由片狀轉(zhuǎn)變成蠕蟲狀，進而變成球形。

表1灰鐵及加球化劑后鐵液的化學成分

注：上述各種鐵液的含錳量為0.67%~0.71%，含磷量為0.071%~0.080%

表2 鐵液表面張力、溫度與石墨形態(tài)對照表

近代研究認為，鑄鐵石墨形態(tài)和鐵液的表面張國之間沒有直接關(guān)系，它和石墨晶體與鐵液間的界面張力存在著一定關(guān)系。也就是說，鐵液表面張力增加，不見得石墨形態(tài)就一定轉(zhuǎn)變，例如向鐵液中加入鋁，當鐵液中含鋁量大于0.1%后，鐵液表面張力隨含鋁量增大而增高，但石墨仍為片狀（可參見圖1），那么，在什么樣條件下才能出現(xiàn)上述的試驗結(jié)果呢？

從本實驗結(jié)果表明，只要保持原鐵液的化學成分大致相同，只改變球化元素和（或）稀土元素加入量，則石墨形態(tài)與表面張力就有如前述關(guān)系，如何解釋這種關(guān)系呢？下面試作粗淺分析。

有文獻指出了鐵液中碳、硅、錳、磷、硫及含氧量對表面張力的影響。這些元素變化對鐵液表面張力都有影響，其中C、Si、Mn、P四元素含量少量變化對表面張力影響較小，而S、O含量變化，影響則顯著。含硫量由0.1%增至0.2%，表面張力要降100dyne/cm;含氧量由0.1%增至0.2%，表面張力要降200dyne/cm。本實驗中C、Si、Mn、P等元素大致不變，則鐵液的表面張力主要取決于鐵液中硫和氧含量的變化，兩者含量降低則表面張力增高。

眾所周知，鑄鐵中球化元素鎂和（或）稀土元素含量增加，石墨形態(tài)隨著發(fā)生變化。當原鐵液中不含鎂或含鎂量＜0.001%時，是典型片狀石墨；隨著含鎂量增加至0.007%、0.011%，進而至0.013%，片狀石墨變短、變細，進而變成片墨+蠕墨+球墨。當含鎂量增至0.016%時，石墨則變成蠕蟲狀，再增加含鎂量，球墨量增加，蠕墨量減少。當含鎂量增至0.033%時，則全部成球狀石墨。

球化元素是化學性質(zhì)活潑元素，加入鐵液中后，首先是脫氧、脫硫，使兩者含量降低，其后果是鐵液表面張力提高。

把上述分析綜合起來不難看出，其它元素含量基本不變的條件下（這和車間穩(wěn)定生產(chǎn)某種鑄鐵件時情況是一致的），鐵液中球化元素增加，其表面張力也要增高。因此根據(jù)鐵液表面張力的大小，就可以判斷鑄鐵結(jié)晶后的石墨形態(tài)。在本試驗條件下，表面張力為900dyne/cm以下時，為片狀石墨；表面張力在1000dyne/cm左右時，為蠕化率大于75%的蠕蟲狀石墨；當表面張力為1 150~1 250dyne/cm時，石墨呈球狀。

4結(jié)論

（1）鑄鐵件產(chǎn)生針孔的傾向性與鐵液的表面張力有關(guān)，鐵液表面張力低，形成針孔的傾向性大。

（2）在澆注鑄件前，如能測得鐵液表面張力數(shù)值，對預(yù)防鑄件是否產(chǎn)生針孔缺陷很有意義。可以及時采取工藝措施，避免鑄件中針孔缺陷的產(chǎn)生。

（3）在一定條件下（鑄鐵中其它元素含量基本保持不變，僅更球化元素鎂和稀土的含量），試驗結(jié)果證明，鐵液的表面張力和鑄鐵凝固后石墨的結(jié)晶形成有一定關(guān)系，即隨著鐵液表面張力的增加，石墨從片狀石墨轉(zhuǎn)變成蠕蟲狀，進而成球狀。

（4）在本試驗條件下，表面張力為90dyne/cm左右時，石墨呈片在狀，當表面張力為1000dyne/cm左右時，石墨為蠕化率大于75%的蠕蟲狀，當表面張力達1150-1250dyne/cm時，石墨呈球狀。