对“均衡凝固技术”几个基本问题的讨论
本文开头就提到，目前球铁件缩孔、缩松研究的焦点问题是：如何正确认识石墨化膨胀？如何利用石墨化膨胀进行补缩？以及如何处理外部补缩和自补缩的关系？对这几个焦点问题，近年来在国内流行的“均衡凝固技术”[28] 提出了一些看法，引起了各种不同的评论。可能是由于实践经历和看问题角度的差别，笔者的认识和看法可能与之有所不同，谨在这里对其中几个基本问题进行讨论，希望通过不同观点的交流有助于加深对球铁缩孔、缩松问题的认识，特别希望有助于正确认识和利用石墨化膨胀进行补缩。
球铁件是否可能实现“均衡凝固”？有利还是有弊？
收缩－膨胀叠加图存在的问题
均衡凝固技术[28]给“均衡凝固”所作的定义是：“铸铁铁水冷却时要产生体积收缩，凝固时析出石墨产生体积膨胀。均衡凝固就是利用膨胀和收缩动态叠加的自补缩和浇冒口系统的外部补缩，采用工艺措施，使单位时间的收缩与膨胀、收缩与补缩按比例进行的一种工艺原则” [28] 。因此均衡凝固也称为“Proportional solidification”，即 “按比例凝固”。提出这种工艺原则的根据，也就是“均衡凝固技术”的基础，是收缩－膨胀叠加图(图31)，该技术的一系列论断均以此图为依据。但此图并非实验测试所得,与实际情况并不相符:
该理论认为一切铸铁件凝固过程的体积变化都可以用收缩曲线ABC与膨胀曲线ADC的叠加的结果（图31中曲线A/BD/C ）表示，都是先收缩后膨胀。图中A 点是充型开始，C 点是凝固终点，P点表示收缩与膨胀均等，称为“均衡点”，表示铸件只在P点之前需要外部补缩，P点之后不再需要补缩。他们还认为薄小件是“集中收缩、骤然膨胀”，均衡点P后移；厚大件是“收缩分散，石墨化膨胀相对提前”，均衡点前移。然而实际测量结果恰恰相反：上文图1是C E Bates等人采用φ 12.7×7.01 mm的薄小试样测试的结果，冷却过程的体积变化（亦即缩－胀叠加结果，）是先胀后缩→缩了又胀→胀了又缩[1] ，与图2的厚大件相比，均衡点不但没有后移，反而是膨胀提前（均衡点前移）。图2是B P Winter等人用φ91×229mm试样测试的结果[2]，试样属厚大件，且用干型浇注，刚度高，冷速慢，按他们的说法，应该有利于均衡点前移[28]，而实际结果是“持续收缩”，根本没有出现均衡点（或者说：均衡点无限推迟）。两个试验的结果都与他们的说法正好相反，体积变化模式也都与他们提出的标准模式（图31）完全不相同。文献报道的试验结果还有其他体积变化模式，说明不同铸件凝固过程的体积变化是各不相同的，绝不可能都是一种模式。图31把一切铸铁件凝固过程的体积变化（收缩膨胀叠加结果）统统表达为 “先收缩后膨胀”，显然不能代表各种铸件的实际情况。

该图的纵坐标没有明确标出“收缩/膨胀”是“收缩速率/膨胀速率”还是“收缩量/膨胀量”，文献[28]的文字叙述时而说是“量”,时而说是“速率”：如其中提到“曲边三角形ABC为铸件总收缩……曲边三角形ADC为铸件的石墨化膨胀”，到底是纵坐标表示“量”，还是（三角形包络的）面积表示“量”？很不明确。如果纵坐标代表收缩量和膨胀量的话，在充型开始（A点），收缩量和膨胀量都是从零开始，随充填铁水体积增大而增大是对的，但凝固终点的收缩量和膨胀量都应为****，不应该是零，收缩曲线和膨胀曲线都应当是由零开始、不断上升（增大）的曲线，它们的斜率变化取决于收缩或膨胀的速率变化，在凝固结束时收缩量和膨胀量都不可能又回到零，应当都达到****值。（从图2看来，很可能是由于膨胀始终小于收缩，因此体积变化仍然保持收缩量不断增大、在凝固终点达到****值的模式；而图1则可能是由于膨胀量及其变化较大，缩-胀叠加结果出现两次膨胀高峰）。
如果图中的ABC和ADC分别代表收缩速率和膨胀速率的变化，并非“量”的变化（曲线包络的面积表示量），情况就不一样了：充型开始时，铁水量最少，而型腔冷却速度最快，液态收缩速度和凝固收缩速度也就最快，因此，收缩速率不应是零，而应当是****；至于膨胀速率，亦即石墨析出速率，其大小受到化学成分、孕育强度、冷却速度等诸多因素的影响，必然随着各个铸件的工艺条件和冶金条件的不同而有所不同，凝固开始不一定没有石墨析出，膨胀速率未必都是零。
实际铸件冷却、凝固过程中的体积变化曲线与试验实测得到的体积变化曲线一样，都是体积变化积累的曲线，亦即各个时刻的体积收缩量积累与膨胀量积累叠加结果的变化曲线。收缩速率和膨胀速率变化曲线只表示某个时刻的瞬时收缩量或瞬时膨胀量的变化情况，二者叠加得到的曲线并不能代表实际铸件的体积变化过程。其中，如果P点之前收缩速率一直大于膨胀速率，P点之前收缩积累必然一直大于膨胀积累，到达P点时，虽然膨胀速率与收缩速率相等了，P点前的积累的体积空缺仍然存在，因此P 点也就不能说是外部补缩的终点了。
可见，图31不可能代表实际铸件的体积变化，按该图作出的各种推论也就不可能正确了。
均衡凝固既不可能实现，对防止缩孔、缩松也不利
所谓“均衡凝固”是指铸件整个凝固过程中，收缩与膨胀始终均等（Contraction-expansion balanced solidification），如图32所示。[28]作者的意图是按照凝固过程收缩量的变化，将膨胀分配到凝固过程的各

图32 收缩-膨胀均等的“均衡凝固”[28]
个时刻，使膨胀量始终等于收缩量，认为这样就可以充分利用膨胀进行补缩，既无多余的膨胀被浪费，又不需要外来补缩。按照这种模式，铸件的实际体积变化曲线应当是一条与横坐标重合的直线（图32的直线AC）。但是，如上文所述，按实际生产使用成分和浇注温度，球铁和灰铁都是收缩大于膨胀，因此，图32的均衡凝固是不可能实现的。因而，[28]的作者又提出了使收缩-膨胀按比例进行凝固（Contraction-expansion proportional solidification）的想法，其基本设想是：通过使膨胀提前，按照凝固过程收缩量的变化，将膨胀分配到凝固过程的各个时刻，使铸件从凝固开始到结束的每个时刻，‘膨胀与收缩’以及‘收缩与补缩’始终都保持固定的比例，这种设想可以用图33表示。按照这种模式，铸件的体积变化曲线也应当是一条与横坐标重合的直线（图33的直线AC）。

图33 收缩与膨胀、外补缩按比例进行的“均衡凝固”
（根据[28]的叙述，并参照图32绘制）
主张采用图32和图33这两种凝固模式的目的是使整个凝固过程，包括凝固前期的收缩都按比例地先由一部分膨胀抵消（即所谓“以膨胀补缩为主”），剩余部分收缩才由外来补缩补足，认为这样就可以提高膨胀利用率，减小冒口尺寸，提高工艺出品率。下面将说明这种凝固模式不但无法实现，而且即使能够实现，对防止缩孔、缩松反而不利：
（1）改变铸型工艺不可能使膨胀提前
“均衡凝固技术”所采取的工艺措施只限于改变铸型工艺（浇冒口设计、使用冷铁、保温等），这些措施只能使铸件某些部位提早或推迟凝固，使该部位的收缩和膨胀一起提前或一起推迟，并不可能使膨胀相对提前：例如采用冷铁强化冷却，首先是使液态冷却加速和使收缩提早，然后才是石墨析出提早，膨胀仍旧不能相对提前（下文将作更详细讨论）；反之，如果采用保温、工艺补贴等方法降低冷却速度，液态收缩慢了，石墨析出也推迟了，石墨核心还可能消失，膨胀反而可能相对推迟。改变浇、冒口设计的结果也同样不可能使膨胀提前：如上文提到均衡凝固技术[28]推荐采用 “飞边冷冒口”、“鸭嘴冷冒口”“耳冒口”和冒口颈设冷铁的“冷颈冒口”，列为实现均衡凝固的工艺措施，实际上这类冒口的作用只不过是使冒口颈快速凝固封闭，根本不可能使铸件膨胀提前，按比例提前（凝固）也就更谈不上了。
要使石墨化膨胀相对提前，唯一方法是通过提高碳、硅量和强化孕育，使石墨提早折出，数量增加，加快长大。但具体能提前多少量、多少时间，也不可能做到按比例定量和定时控制。
（2）凝固后期不可能获得外部补缩
铸件的外部（液态）补缩通道畅通时间有限，球铁更是如此，凝固后期不可能获得外部补缩，图33的凝固后期的外部补缩将是零，也就是说，凝固后期根本不可能保持外部补缩与收缩成比例，如果不尽量使较多膨胀推迟到凝固后期，凝固后期的膨胀就不足以抵消收缩，就会引起缩孔、缩松。
（3）膨胀提前对外部补缩和自补缩都不利
“均衡凝固技术”根据收缩膨胀叠加图（图31）作出的基本推理是认为“凡有利于铸件收缩后移和石墨化（膨胀）提前的因素都有利于胀缩相抵，使均衡点P前移，使冒口尺寸减小”，因此，该技术始终以“使石墨化膨胀相对提前”作为防止缩松、缩孔的核心措施，其想法是：通过使石墨化膨胀提前，使均衡点P前移，就可以实现两个按比例进行的凝固模式，就可以减少外部补缩需要量，从而减小冒口尺寸。而 R W Heine发现[32，33]，过共晶石墨或其他先共晶石墨析出使石墨化膨胀提前，不但使膨胀不能用于补缩，反而会使铁水倒流进入冒口而引起缩孔、缩松。
膨胀提前对防止缩孔、缩松到底是否有利？
笔者的实践体会是：在体积相同、成分相同、冶金条件相同的情况下，铸件的致密度与其材料含量密切相关。由于如上所述，球铁凝固过程中体积变化的最终结果是收缩大于膨胀，石墨化膨胀不足以抵消收缩，球铁件铸造必须外部补缩。因此，除了确保充分石墨化和提高铸型刚度之外，消除缩松、缩孔的另一个关键在于如何利用外来（液态）补缩增加铸件的材料含量来弥补缩胀差额。因为外部补缩不但增加金属含量，而且也增加石墨碳总含量，因而也增加膨胀总量。由于目前大批量生产仍以湿型为主，即使采用高压、气冲或静压造型，型腔扩大亦无法避免。除石墨化膨胀外，浇注后型砂受热膨胀隆起也会使型腔扩大[27]，因而外部补缩更显得重要。为此，应力求在铁水流动性好、进铁口、出铁口和补缩通道尚未关闭之前，铸件内尽量少发生膨胀，尽量加速收缩，尽早形成较大的体积空缺，多拉进铁水，增加铸件的材料含量，待进铁口和补缩通道关闭后，再发生膨胀，这样才可以在补缩通道关闭、液态补缩停止后，有较大的膨胀量来弥补收缩。由于后期外部补缩已停止，因而更需要、而且只能由石墨化膨胀进行自补缩，如果在型腔进、出口尚未关闭的凝固前期有意地使膨胀提前而与收缩“均衡”或“成比例”，必然会阻止补缩铁水进入型腔，既错过外部补缩时机，也浪费应当用于后期补缩的、有限的膨胀，导致铸件材料流失，对外补和自补都不利，使进、出铁口和补缩通道关闭后，没有足够的膨胀用于抵消收缩，导致缩孔、缩松。下面的事实可以为证：
我公司曾对曲轴和发电机支架等球铁厚大件和薄小件以及蠕铁缸盖试验采用随流孕育（随流孕育用瑞士MECANA自动浇注机进行，随流孕育量不超过0.08％，孕育过程用计算机控制，能确保准确、均匀），结果石墨数量增加了，性能也提高了，然而缩松废品也明显增加，而且薄件表面缩凹也增加了，因而只能停止使用随流孕育。一家为锡柴生产曲轴配件的工厂采用型内孕育也发现同样情况；东汽铸造二厂也发现孕育过量引起缩松、缩孔增加[34]。原因可作如下解释：如果石墨化不充分，导致碳化物析出而引起缩松，适当强化孕育，增大膨胀量，对减少缩松当然有好处。R W Heine认为球数高对减少缩松有利[35]，就是从保证石墨化充分考虑的。然而，当C、Si量一定时，孕育强度超过保证充分石墨化的需要后，石墨碳析出总量不会再增加，只会使石墨核心大量增加，使石墨提早析出，使膨胀相对提前，不但使铁水外流，而且由于球数和共晶团数大幅度增加，固－液区扩展迅速，“糊状凝固”倾向更明显，液态通道容易堵塞，导致外部补缩受阻，因而使缩松、缩孔倾向增大。上述事实说明，从防止缩孔、缩松考虑，不希望前期收缩由石墨化膨胀抵消，如果通过使膨胀提前，使膨胀用于抵消本来可以由外部补缩抵消的前期收缩，结果必然是使外部补缩受阻，铸件材料含量减少，使外部补缩停止后的凝固后期没有足够的膨胀来弥补收缩，反而会导致缩松、缩孔。下文3.5节将进一步说明即使膨胀提前减少了外部补缩量，冒口尺寸仍旧不能减小。
（4）实现按比例凝固既没有调控依据，也没有调控方法
①不知道实际铸件的体积变化模式，调控就没有依据
如上所述，铸件在其凝固过程中各个时刻的实际体积变化结果，是到该时刻为止的收缩量积累与膨胀量积累叠加的结果。不同铸件凝固过程的体积变化模式是各不相同的，要知道每个铸件的体积变化模式，只能逐个测量，实际生产不可能做到。而由于收缩与膨胀往往是相伴发生，各个时刻的具体膨胀量和收缩量是不可能分开测定的，调整和控制也就不可能有所依据。如图1和图2曲线上的数据点只代表不同时刻的收缩量积累与膨胀量积累叠加的结果，具体每个数据点由多少收缩量和多少膨胀量叠加而得？收缩量和膨胀量各自的变化模式如何？均无法获知。事实上在迄今所有宣称按“均衡凝固技术”设计工艺的实例中，都没有对铸件的体积变化情况进行过测量，也就不可能知道所述铸件在凝固过程中其体积具体如何变化，更不可能知道其收缩量和膨胀量各自的变化模式以及缩胀比例变化模式，也就根本谈不上有调控和保持缩胀比例的依据。
②没有任何方法可以按比例调控铸件凝固过程的体积变化
要做到“缩－胀”和“缩－补”始终按比例进行，收缩量、膨胀量和补缩量就必须始终保持固定的数值关系，而且始终都要同步地保持相同的变化模式，而收缩、膨胀和补缩各有各的变化规律和影响因素，不可能保持同步变化，实际上“均衡凝固技术”也从来没有说明有这种按比例调控的方法。
（5）没有任何实例有测量结果可以证明实现 “均衡凝固”
如上所述，如果实现均衡凝固，铸件的体积变化曲线应当是与横坐标重合的一条直线，而迄今为止，并没有任何实例提供这种测量结果，也就不可能证明实现了均衡凝固。
从迄今所有宣称按“均衡凝固技术”设计工艺的实例不难看出，所采用的工艺方法都是一些生产中常用的工艺方法：如将冷冒口加底注改为热冒口顶注，将冷冒口去除改为无冒口，将本体顶冒口改为边冒口（称之为“冒口靠边”），将底注改为顶注（称之为“顶注优先”），热节部位设冷铁，将冒口颈厚度减小，等等，找不到任何根据、任何理由、任何测试结果说明这些方法可以使膨胀提前、更不可能说明这些方法可以实现两个按比例进行的均衡凝固。分析这些实例都可以看出，无论这些实例的缩孔、缩松问题解决与否，都是另有原因，都与是否实行 “均衡凝固”没有任何关系。除本文第2部分已进行的讨论外，下面还将继续对这些方法防止缩松的作用原理进行讨论。