铸铁件易产生的铸造缺陷之一是针孔，它存在于铸件表皮之下，一般在铸件退火和喷丸清理后，甚至是在切削加工后才能发现，因此这种铸造缺陷常常造成原材料、机加工时、能源的浪费，据文献[1]，为开发新型机床，要求生产抗位强度达300MPa的灰铸铁。为达到高强度，在炉料中要加大量废钢，以降低铸铁的碳当量，抗拉强度提高了，但是随之而来的因针孔缺陷造成废品率大大提高。针孔是如何形成的，如何防止，成为开发新产品首先要解决的问题。
1 针孔形成机理
据文献[2]，形成针孔的原因，主要取决于3方面。
（1）铁液中的含气量越高，越易形成针孔。
（2）非自发气核的多少。针孔是由于在铁液中形成的气泡来不及逸出铸件外面形成的。可做为气泡气核的有铁液中夹杂物以及与铸件接触的铸型表面上存在的微孔（微孔直径在几微米至几百微米之间，再大将被铁液充填，不能作为气核），它们会成为气泡形成的气核，则铸件易形成针孔缺陷，如果在面砂中加一些三氧化二铁细粉，当铁液注入铸型后，会在型壁处形成一层玻璃态硅酸铁，气核大为减少，可以降低铸件形成针孔的倾向性。
（3）铁液表面张力的大小
铁液表面张力与形成针孔的气泡内气体含量有关。
气泡内气体的压力与铁液中含气量成正比，含气量越高越易形成针孔。反过来讲，同样的铁液含气量，铁液表面张力越小，则越易形成针孔。据文献[1]，用于生产高强度灰铸铁的低碳当量铁液，实测表面张力为402.7dyne/cm。
由于用75FeSi对铸铁进行孕育，使铁液中含有微量铝,图1表明少量铝会降低铁液表面张力,当铁液中含铝量在0.%时,表面张力降至最低,含铝量再高,表面力提高。
图1中给出了一条虚线，凡表面张力大于650dyne/cm，则铸件不会出现针孔。
如果在铸件浇注前，于炉前能快速测铁液的表面张力，就可以预测浇注的铸保护区5上能否产生针孔。如查有形成针孔的危险性，及时采取工艺措施，避免因针孔缺陷造成的损失。
2、提高灰铸铁液表面张力的措施
根据文献［4］，铁液中C、Mn、Si、P等元素含量变化时都会对铁液表面张力产生影响，但当含量变化不大时，影响较小，而铁液中含氧量增高，表面张力会在为降低。
如果铁液表面张力太低，有形成针孔缺陷倾向时，可采用含铝较低的硅铁做育剂，或采用新型高效孕育剂，减少孕育剂的加入量。可采用含稀土硅铁的复合型孕育剂参看文献［1］，对高强度低碳当量铁液，加入0.5% Si-Fe+0.3%1#稀土硅时,原铁液含量由95.1%×10-4%,表面张力402.7dyne/cn,变成含量为38.2×10-4%,表面张力达854 dyne/cn,铸件针孔缺陷消除。
加入0.3%左右的FeSiRE21,使铁液脱氧、脱硫，从而提高了铁表面张力，消除了铸件形成针孔倾向性。
3 表面张力与铸件中石墨形态的关系
为研究铁液表面张力与铸铁石墨形状之间的关系，本研究在电炉中熔化铁液，炉料为100%首钢Z14生铁，原铁液化学成分ω（%）为：3.39C, 1.39Si, 0.69Mn, 0.076P, 0.149S。当铁液温度达到1450℃时，进行蠕化（或球化）处理，采用包底坑冲入法，处理后加一定量75SiFe进行孕育处理，将处理后铁液倒入经预热的10号石墨坩埚中，扒出表面熔渣，插入热电偶测温，打开氩气瓶，使气路充满氩气，调节气体流量达到合适值，下摇毛细管夹持器，使毛细管接触铁液液面，记录斜压计中水柱液面读数h始，上移百分表，使百分表芯杆端部与夹持器下表面接触，将百分表盘旋至零点，下降毛细管插入铁液一定深度，由有分表记录h1，观察斜压计水柱读数的最大值，记录h末。如此进行表面张力测定并计算，每次测量10个表面张力数值，取平均值做为测试结果。测试后浇注Φ30mm试棒，用QRMg8RE7及FeSiRE21两种，以不同配比、不同加入量处理铁液，以期得到多种石墨形态。
通过80余炉试验，研究了表面张力、铁液温度与铸铁石墨结晶间的关系，其结果如表1、表2与图2。
表1中65#为不加变质剂的灰铁铁液，为使含硅量与其它各炉大致相同，向铁液中加了1.17%Si进行孕育。
根据表2中的温度、表面张力和石墨形态的对应数据，在以表面张力-铁液温度坐标系中得出了3条曲线（见图2），它们将坐标平面分成了4个区域，各自代表着不同类型石墨形态。
线1以下为普通片状石墨铸铁区，当铁液表面张力大于线1，而小于线2时，石墨片比较细小，进而随着表面张力增高而出现片状石墨+蠕墨+球墨，但达不到不含片状的蠕墨铸铁状态。铁液表面张力达线2，则片状石墨完全消失，在其线附近，石墨形态为75%~100%的蠕虫状石墨，而球状石墨占0~25%。表面张力高于线2而低于线3时，则随着表面张力增加，石墨晶体中球化率增高，蠕化率降低。当表面张力达线3时，球化率高达90%以上。线上部区域，为球墨铸铁区域。可见，随着表面张力增高，石墨结晶将相应由片状转变成蠕虫状，进而变成球形。
表1灰铁及加球化剂后铁液的化学成分
|
炉次
|
附加剂加入量（%）
|
处理后铁液化学成分ω（%）
|
||||||
|
Si
|
Mg
|
RE
|
C
|
Si
|
S
|
Mg
|
RE
|
|
|
35
|
2.12
|
0.094
|
0.576
|
0.025
|
0.019
|
0.061
|
||
|
50
|
1.35
|
0.090
|
0.245
|
3.60
|
2.7
|
0.028
|
0.026
|
0.061
|
|
19
|
2.12
|
0.094
|
0.576
|
3.54
|
4.05
|
0.024
|
0.027
|
0.121
|
|
76
|
1.27
|
0.032
|
0.216
|
0.026
|
0.020
|
0.104
|
||
|
42
|
1.35
|
0.067
|
0.310
|
3.25
|
2.51
|
0.027
|
/
|
/
|
|
41
|
1.55
|
0.080
|
0.440
|
3.35
|
2.44
|
0.025
|
0.016
|
0.065
|
|
40
|
2.12
|
0.094
|
0.576
|
0.023
|
/
|
/
|
||
|
11
|
1.17
|
0.054
|
0.531
|
3.65
|
2.01
|
0.027
|
0.019
|
0.045
|
|
73
|
1.27
|
0.032
|
0.216
|
0.029
|
0.019
|
0.069
|
||
|
77
|
1.27
|
0.032
|
0.216
|
0.026
|
0.021
|
0.104
|
||
|
75
|
1.27
|
0.032
|
0.216
|
0.026
|
0.017
|
0.049
|
||
|
67
|
1.25
|
0.028
|
0.211
|
3.54
|
2.31
|
0.027
|
0.029
|
0.040
|
|
68
|
1.26
|
0.028
|
0.211
|
3.79
|
2.29
|
0.030
|
0.022
|
0.074
|
|
32
|
1.70
|
0.128
|
0.348
|
0.028
|
0.031
|
0.045
|
||
|
57
|
1.25
|
0.028
|
0.211
|
3.65
|
2.16
|
0.029
|
0.023
|
0.052
|
|
59
|
1.25
|
0.028
|
0.211
|
3.91
|
2.10
|
0.031
|
0.023
|
0.044
|
|
58
|
1.25
|
0.028
|
0.211
|
3.73
|
2.00
|
0.037
|
0.021
|
0.033
|
|
54
|
1.27
|
0.024
|
0.277
|
3.60
|
2.22
|
0.041
|
0.023
|
0.044
|
|
46
|
1.18
|
0.056
|
0.204
|
3.72
|
2.23
|
0.029
|
/
|
/
|
|
52
|
1.31
|
0.032
|
0.236
|
3.65
|
2.26
|
0.033
|
/
|
/
|
|
31
|
1.54
|
0.117
|
0.268
|
0.031
|
0.027
|
0.063
|
||
|
65
|
1.17
|
/
|
/
|
3.65
|
2.07
|
0.053
|
/
|
/
|
注：上述各种铁液的含锰量为0.67%~0.71%，含磷量为0.071%~0.080%
表2 铁液表面张力、温度与石墨形态对照表
|
炉号
|
温度/℃
|
表面张力/(dyne/cm)
|
石墨形态
|
|
|
35
|
1 340
|
1 273
|
4%蠕
|
95%球
|
|
52
|
1 340
|
1 255
|
100%球
|
|
|
19
|
1 360
|
1 207
|
10%蠕
|
90%球
|
|
76
|
1 362
|
1 169
|
10%蠕
|
90%球
|
|
42
|
1 372
|
1 135
|
5%蠕
|
95%球
|
|
41
|
1 381
|
1 151
|
10%蠕
|
90%球
|
|
40
|
1 383
|
1 172
|
10%蠕
|
90%球
|
|
11
|
1 340
|
1 061
|
20%球
|
80%蠕
|
|
75
|
1 359
|
1 015
|
25%球
|
75%蠕
|
|
77
|
1 364
|
993
|
20%球
|
80%蠕
|
|
73
|
1 364
|
1 007
|
25%球
|
75%蠕
|
|
67
|
1 380
|
1 022
|
20%球
|
80%蠕
|
|
68
|
1 385
|
1 062
|
5%球
|
95%蠕
|
|
31
|
1 360
|
990
|
20%球
|
80%蠕
|
|
32
|
1 380
|
972
|
5%球
|
95%蠕
|
|
57
|
1 342
|
1 157
|
40%球
|
60%蠕
|
|
59
|
1 340
|
1 153
|
35%球
|
65%蠕
|
|
58
|
1 358
|
1 144
|
30%球
|
70%蠕
|
|
54
|
1 362
|
1 137
|
35%球
|
65%蠕
|
|
46
|
1 360
|
1 155
|
50%球
|
50%蠕
|
|
52
|
1 363
|
1 153
|
50%球
|
50%蠕
|
近代研究认为，铸铁石墨形态和铁液的表面张国之间没有直接关系，它和石墨晶体与铁液间的界面张力存在着一定关系。也就是说，铁液表面张力增加，不见得石墨形态就一定转变，例如向铁液中加入铝，当铁液中含铝量大于0.1%后，铁液表面张力随含铝量增大而增高，但石墨仍为片状（可参见图1），那么，在什么样条件下才能出现上述的试验结果呢？
从本实验结果表明，只要保持原铁液的化学成分大致相同，只改变球化元素和（或）稀土元素加入量，则石墨形态与表面张力就有如前述关系，如何解释这种关系呢？下面试作粗浅分析。
有文献指出了铁液中碳、硅、锰、磷、硫及含氧量对表面张力的影响。这些元素变化对铁液表面张力都有影响，其中C、Si、Mn、P四元素含量少量变化对表面张力影响较小，而S、O含量变化，影响则显著。含硫量由0.1%增至0.2%，表面张力要降100dyne/cm;含氧量由0.1%增至0.2%，表面张力要降200dyne/cm。本实验中C、Si、Mn、P等元素大致不变，则铁液的表面张力主要取决于铁液中硫和氧含量的变化，两者含量降低则表面张力增高。
众所周知，铸铁中球化元素镁和（或）稀土元素含量增加，石墨形态随着发生变化。当原铁液中不含镁或含镁量＜0.001%时，是典型片状石墨；随着含镁量增加至0.007%、0.011%，进而至0.013%，片状石墨变短、变细，进而变成片墨+蠕墨+球墨。当含镁量增至0.016%时，石墨则变成蠕虫状，再增加含镁量，球墨量增加，蠕墨量减少。当含镁量增至0.033%时，则全部成球状石墨。
球化元素是化学性质活泼元素，加入铁液中后，首先是脱氧、脱硫，使两者含量降低，其后果是铁液表面张力提高。
把上述分析综合起来不难看出，其它元素含量基本不变的条件下（这和车间稳定生产某种铸铁件时情况是一致的），铁液中球化元素增加，其表面张力也要增高。因此根据铁液表面张力的大小，就可以判断铸铁结晶后的石墨形态。在本试验条件下，表面张力为900dyne/cm以下时，为片状石墨；表面张力在1000dyne/cm左右时，为蠕化率大于75%的蠕虫状石墨；当表面张力为1 150~1 250dyne/cm时，石墨呈球状。
4结论
（1）铸铁件产生针孔的倾向性与铁液的表面张力有关，铁液表面张力低，形成针孔的倾向性大。
（2）在浇注铸件前，如能测得铁液表面张力数值，对预防铸件是否产生针孔缺陷很有意义。可以及时采取工艺措施，避免铸件中针孔缺陷的产生。
（3）在一定条件下（铸铁中其它元素含量基本保持不变，仅更球化元素镁和稀土的含量），试验结果证明，铁液的表面张力和铸铁凝固后石墨的结晶形成有一定关系，即随着铁液表面张力的增加，石墨从片状石墨转变成蠕虫状，进而成球状。
（4）在本试验条件下，表面张力为90dyne/cm左右时，石墨呈片在状，当表面张力为1000dyne/cm左右时，石墨为蠕化率大于75%的蠕虫状，当表面张力达1150-1250dyne/cm时，石墨呈球状。
