第八章冒口設計

第八章冒口、冷鐵和鑄筋冒口設計一、冒口的作用1、冒口：鑄型中能儲存一定的金屬液，可對鑄件進行補縮的專門工藝“空腔”稱之為冒口。鑄件在凝固過程中需要補償的體積變化有：

（1）鑄型的脹大（體積膨脹）（2）金屬液的液態(tài)收縮（高溫到低溫）

（3）金屬的凝固收縮（液態(tài)到固態(tài)）一、冒口的作用由于冒口的設計不當所造成的缺陷主要有縮孔和縮松?？s孔和縮松的存在減少了鑄件的有效受力面積，降低了鑄件的強度。特別是隱藏在鑄件內部的縮孔，對質量要求高，機械加工量大的鑄件危險很大，有些要求耐壓的鑄件，因縮孔的存在經受不住液體的壓力而發(fā)生滲漏現象，以致報廢。2.冒口的作用：1)冒口的主要作用是補縮鑄件;2)此外還有出氣和集渣的作用。一、冒口的作用要達到補縮的目的，冒口必須滿足以下基本條件：（1）冒口的凝固時間必須大于或至少等于鑄件（或鑄件被補縮部分）的凝固時間。（2）冒口中必須儲存足夠的金屬液補充鑄件（或鑄件被補縮的部分）的收縮。（3）冒口與鑄件被補縮的部位之間必須存在良好的補縮通道。

冒口設計3.冒口的設計內容（1）選擇冒口的形狀及安放位置；（2）初步確定冒口的數量；（3）計算冒口的尺寸；（4）校核冒口的補縮能力；（5）校核工藝出品率。二、冒口的種類及位置

1.冒口的類型：1)按位置分類：頂冒口和邊冒口；2)按覆蓋情況分類：明冒口和暗冒口。

明冒口的優(yōu)點：造型方便，并便于觀察鑄型中金屬液的上升情況，向冒口中補澆金屬液，在冒口頂面散發(fā)熱劑、保溫劑等。

明冒口的缺點：因頂部敞開，散熱較快，同樣體積的冒口，明冒口較暗冒口的補縮效率低。二、冒口的種類及位置

邊冒口—當熱節(jié)在鑄件的側面時，常采用邊冒口。邊冒口的優(yōu)點：補縮效果好，造型方便，冒口的清理也容易，應用廣泛。邊冒口也分為明邊冒口和暗邊冒口，生產中多用暗邊冒口。

暗邊冒口的優(yōu)點：不受鑄件上熱節(jié)點的位置的限制，可依熱節(jié)點的就近設置冒口。缺點：占砂箱面積大。當熱節(jié)點不在分型面時，造型麻煩。

二、冒口的種類及位置

整體冒口：整個鑄件澆注位置的上部均為冒口。鑄件重58噸，冒口重26噸。二、冒口的種類及位置

特種冒口主要有：1）大氣壓力冒口：二、冒口的種類及位置

2）壓縮空氣冒口；3）氣彈冒口（發(fā)氣壓力冒口）：將混合物（彈藥）外層由耐火粘土包裹，在8600C發(fā)生如下反應：CaCO3（85%）+煤粉（15%）—CaO+CO2（4-5大氣壓）4）煤氣加熱冒口；5）電弧加熱冒口；6）發(fā)熱保溫冒口：利用保溫劑和發(fā)熱劑等專門材料制成發(fā)熱套，構成冒口型腔內表面，澆注后發(fā)熱套材料產生化學反應激烈發(fā)熱，使冒口金屬液溫度提高，凝固時間延長。二、冒口的種類及位置

發(fā)熱劑：用鋁粉、硅鐵粉、氧化鐵皮等。其混合物稱為鋁硅熱劑。鋁粉與氧化鐵皮組成的混合物叫做鋁熱劑。在金屬液的熱作用下，當發(fā)熱劑的溫度超過1523K時，鋁和硅都可以被激烈氧化而放出大量的熱量，化學反應生成物的溫度可達3273K以上，冒口中金屬液被劇烈加熱，開始溫度升高，而后緩慢冷卻，延長了冒口的凝固時間，大大提高冒口的補縮效率?；瘜W反應式：8Al+3Fe3O4=4Al2O3+9Fe+3243×103焦

2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe+838×103焦2Si+Fe3O4=2SiO2+3Fe+557×103焦

3Si+2Fe2O3=3SiO2+4Fe+1379×103焦保溫劑：一般用木炭粒、鋸木屑。其導熱系數小，作用是延長發(fā)熱劑的燃燒時間和具有保溫作用。粘結劑：水玻璃和膨潤土，將發(fā)熱劑和保溫劑的混合料作成發(fā)熱套。7）易割冒口：在冒口根部放置一塊由耐火材料或油砂芯制成的冒口隔片，隔片中有一小于冒口直徑的補縮圓孔，形成暗冒口根部的縮頸，使冒口易于從鑄件上去除。隔片厚度：0.093d冒；冒口頸尺寸：d0=0.39d冒；二、冒口的種類及位置

2.冒口的形狀使用時，在相同體積的條件下，選用散熱面積最小的形狀。這樣散熱慢，凝固時間長，補縮效果好。球形的散熱表面積最小，但造型麻煩，常用的冒口的形狀如圖所示二、冒口的種類及位置

3、冒口的位置：冒口的位置設置不當，就不能有效的消除縮孔和縮松，有時還會引起裂紋等鑄造缺陷。在確定澆注位置時就應考慮冒口的位置，應以下面的基本原則確定冒口的位置：

1）冒口應盡量放在鑄件補縮部分的上部或熱節(jié)點的旁邊。

2）冒口應放置在鑄件最高最厚的部位，以便利用金屬液的自重力補縮。

二、冒口的種類及位置

3、冒口的位置3）在鑄件不同高度上有熱節(jié)需要補縮時，可按不同水平面放置冒口，并配合使用冷鐵。4）冒口應盡可能不阻礙鑄件的收縮，不應放在應力集中處，以免引起裂紋；5）力求用一個冒口同時補縮一個鑄件的幾個熱節(jié)或幾個鑄件的熱節(jié)。

3、冒口的位置6）冒口最好布置在需進行機械加工的表面，以減少精整工件的工時。7）為加強鑄件的順序凝固，應盡可能使內澆道靠近或通過冒口，以造成對冒口有利的溫度分布。8）應避免在重要部位放置冒口，因冷卻緩慢，晶粒粗大，造成性能下降。

3、冒口的位置三、冒口的有效補縮距離1、概念：為了防止鑄件產生縮孔和縮松，冒口必須保證鑄件實現順序凝固，在鑄件凝固的過程中始終保持暢通的補縮通道，這樣的冒口中的金屬液才能不斷的補給鑄件，否則冒口再大，也達不到補縮的目的。

這表明冒口應滿足的三個條件缺一不可。補縮通道擴張角φ：液相線的等溫面之間形成的夾角。冒口的有效補縮距離：致密的冒口作用區(qū)與致密的末端區(qū)之和稱為冒口的有效補縮距離，即

b=冒口區(qū)+末端區(qū)=c+e如果被補縮部分的長度大于這個距離，就會產生縮孔和縮松；小于b時鑄件才是健全的。

冒口有效補縮距離是指長度方向的，實際上冒口的補縮作用是一個范圍。以圓柱冒口為例：以冒口中心為圓心，用冒口半徑加上有效補縮距離為半徑做圓，圓內就是冒口的有效補縮范圍。

三、冒口的有效補縮距離2、碳鋼鑄件冒口的有效補縮距離水平方向的有效補縮距離對較簡單鑄件的冒口有效補縮距離，曾進行一系列的研究，已掌握其規(guī)律性。1）形狀因素的影響

對碳鋼(0.2--0.35%C）在其他條件相同的情況下，形狀不同，補縮的通道不一樣，有效補縮距離也不相同。

板形鑄件：b=4.5ac=2ae=2.5a

桿形鑄件：三、冒口的有效補縮距離碳鋼鑄件冒口的有效補縮距離圖4-9和4-10是依據不同尺寸的板形和桿形鑄鋼件的實驗結果作出的“冒口區(qū)長度”、“末端區(qū)長度”與鑄件壁厚之間的關系曲線。2、碳鋼鑄件冒口的有效補縮距離對板形或桿形件，當寬厚比一定時，隨著鑄件厚壁的減少，冒口區(qū)長度和末端區(qū)長度都隨之減少。這說明對厚壁均勻的薄壁鑄鋼件，冒口的有效補縮距離減少，單純靠冒口很難避免軸線縮松。另外當鑄件壁厚一定時，隨寬厚比的減少，冒口區(qū)長度和末端區(qū)長度也顯著減少。這說明消除桿件的軸線縮松要比消除板形件的更困難。2、碳鋼鑄件冒口的有效補縮距離（2）冷鐵對冒口有效距離的影響根據在板形和桿形件上應用冷鐵的實驗結果表明：對板形件冷鐵放在末端時，冷鐵的厚度應等于該板的厚度是適宜的，當冷鐵放在兩冒口之間時，冷鐵約需板厚的二倍。

冷鐵使鑄件末端的冷卻速度增大，從而使板形鑄件致密的末端區(qū)長度增加約50mm，此數值與板厚無關。對桿形鑄件來說，冷鐵使致密的末端區(qū)增加鑄件厚度的一倍或50mm。在兩冒口之間放置冷鐵時，相當于增加了一個末端區(qū)。四補貼的應用實現冒口補縮鑄件的基本條件之一就是鑄件凝固時始終保持著向冒口張開的補縮通道擴張角，而且角度大些好。然而對板件和壁厚均勻的薄壁鑄件往往難于達到這個要求。單純增加冒口的直徑和高度也效果不大。這時就應采用補貼，提高冒口的補縮效果。

1、補貼：所謂補貼就是人為的在靠近冒口的鑄件壁上逐漸增加的厚度，稱為冒口補貼，簡稱補貼（襯補、增肉）。

補貼確定：補貼一般是在冒口有效補縮距離以上開始加補貼，使鑄件壁向著冒口方向逐漸加厚，直到冒口的根部。鑄件加厚量為a,稱為補貼厚度。四補貼的應用四補貼的應用下圖表示了補貼厚度、鑄件壁厚及鑄件高度間的關系。1）板件補貼的確定

當鑄件的厚度一定時，隨著鑄件高度的增加，補貼的厚度增加。

當鑄件的高度一定時，隨著鑄件壁厚的減少，補貼值增大。假設補貼厚度a=0，則從圖中的橫坐標就可直接得到冒口的垂直有效補縮距離。例如：對截面高度500mm，壁厚50mm的板件，其補貼厚度為48mm。

2）桿件補貼的確定桿形件的有效補縮距離比板形小，故需有較大的補貼值才能保證鑄件的組織致密。其補貼值的求法是，先從圖中查出相同壁厚板件的補貼值，然后再根據寬厚比從表中查得補償系數。對底注式和高合金鋼板的補償系數：（1）底注式碳鋼和低合金鋼板：1.25；（2）頂注式高合金鋼板件：1.25；（3）底注式高合金鋼板件：1.25×1.25。四補貼的應用寬厚比4：13：12：11.5：11：1修正系數1.01.251.51.72.050mm桿件48607281.696

在水平方向加冒口補貼稱為水平補貼。如圖所示。2、種類1）金屬補貼，使鑄件加厚2）采用保溫補貼。四、補貼的應用3、輪緣與輪轂補貼的作法

1）

按比例畫出輪緣和輪輻（最好用1：1），并添上加工余量；

2）畫出熱節(jié)點內切圓直徑dy’，考慮砂尖角效應需作必要的擴大，通常為dy=dy’+（10-30mm）；

3）如圖所示，自下而上地畫圓，使d1=1.05dy，d2=1.05d1，d1和d2的圓心分別在dy和d1的圓周上，且與輪緣內壁相切；

4）畫一條曲線與各圓相切，就是補貼所需的外形曲線。

輪緣補貼4、輪轂補貼的作法：對于輪轂，要求不如輪緣高。不需改變內切圓的直徑，加補貼的方法與輪緣相同，只是滾圓的直徑不變。3、輪緣與輪轂補貼的作法

例題

用冒口有效補縮距離的概念，掌握影響冒口有效補縮距離的規(guī)律，有助于合理確定冒口的數目。例：一環(huán)形件，如圖所示，環(huán)形中心線為920mm，寬240mm，厚80mm，為寬厚比為3：1的桿件。采用冒口直徑為190mm。方案一：問應設置幾個冒口？對于厚80mm3：1的桿件，查表得冒口區(qū)長度為140mm，兩個冒口區(qū)長度加上冒口本身直徑為470mm，環(huán)形件需要補縮的距離為:3.14×920=2889mm，需設置的冒口數為：

2889/470=6.1個即用6個冒口可得到致密的鑄件。例題

方案二：用同樣三個冒口均布在圓周上，冒口之間放外冷鐵，問是否可得到致密的鑄件？從圖可查出桿厚80mm，3：1的桿件末端長度為190mm。這樣一個冒口和一個冷鐵造成補縮長度為兩個冒口區(qū)，兩個末端區(qū)和兩個冷鐵的寬度。即：190+2×140+2×（190+50）=950mm，校核冒口數：

2889/950=3.04個說明，放三個同樣的冒口和三塊冷鐵，能夠滿足補縮的要求。例題

五．冒口的設計冒口尺寸的計算是一個復雜的問題，影響因素很多，如合金的鑄造性能、澆注溫度、澆注方法、鑄件結構及熱節(jié)形狀、澆冒口安放位置和鑄型的熱物理性質等。所以至今還沒有一種理論計算方法精確測定出冒口尺寸。己有的方法都是試驗總結出來的，有點半理論、半經驗性質，因而還必須經過生產的驗證。冒口的尺寸主要是指根部直徑和高度，計算的方法主要有：模數法、縮管法、補縮液量法、比例法、熱節(jié)圓法（一）模數法1）模數的概念鑄件在體積相同的情況下，表面積越大，散熱就越快，凝固時間就越短；反之，表面積越小，凝固時間就越長。模數是反映鑄件體積與散熱表面積對凝固時間影響的參數。模數大，凝固時間長，模數小，凝固時間短。模數的定義式:

模數=鑄件的體積/散熱表面積，即：M=V/A五．冒口的設計（一）模數法研究發(fā)現，無論鑄件的形狀、重量如何不同，只要模數相等，凝固時間就相等或相近。模數與凝固時間的關系為：

k為凝固系數，與鑄件、金屬鑄型的熱物理性能、鑄件形狀、澆注溫度有關，對碳鋼和低合金鋼而言，或

1）簡單幾何體的模數計算公式大平板：M=a/2；正方形桿：M=a/4；矩形截面桿：M=ab/2（a+b）長方體：M=abc/2（ab+bc+ac）立方體或球體：M=a/6模數的計算圓柱體：空心筒：b?5a，M=ab/2（a+b）b?5a，M=a/2

模數的計算模數的計算砂芯直徑d，cm5δ4δ3δ2δ1．5δδδ/2系數，k1．281．331．41．51．571．671．82）圓筒類鑄件有效壁厚的修正3）模數算法計算冒口原理為了實現補縮，冒口與鑄件上被補縮部位之間必須存在良好的補縮通道，同時還應滿足下面基本條件：①冒口的凝固時間應大于、至少等于鑄件（或鑄件被補縮的部分的）凝固時間。即：τ冒?τ件或M冒、M件分別為冒口和鑄件的模數；k冒、k件分別為冒口和鑄件的凝固系數。對普通冒口，k冒=k件，則有M冒?M件

（一）模數法所以，實際上設計冒口并不要求計算冒口和鑄件的絕對凝固時間，只要求出它們的模數即可知凝固時間的長短。對碳鋼件，只要滿足，邊冒口：

M件：M頸：M冒==1：1.1：1.2

內澆道通過冒口：M件：M頸：M冒=1：（1-1.03）：1.2就可以實現冒口對鑄件最后凝固部位的補縮。M頸為冒口頸的模數。對鑄鐵件熱邊冒口：

M件：M頸：M冒=1：（0.25-0.35）：（0.9-1.2）。對頂冒口：

M件=（1-1.2）M件即可。（一）模數法②冒口中必須有足夠的金屬液補充鑄件（或鑄件被補縮的部分）的體積收縮。即：

ε—金屬在液態(tài)和凝固期間的總體收縮率（或叫縮孔率）。

ε（V冒+V件）—縮孔體積；

VS—型腔膨脹體積。在保證無縮孔的條件下，上式也可以寫成：

ε（V冒+V件）+VS=V冒ηη—冒口的補縮效率，η=（V冒-V冒終）/V冒×100%（一）模數法冒口的種類及工藝措施圓柱形或腰圓柱形球形冒口補澆冒口時澆口通過冒口發(fā)熱保溫冒口大氣壓力冒口壓縮空氣冒口氣彈冒口η值12-1515-2015-2030-3525-3015-2035-4030-35計算冒口時，依據第一個基本條件確定冒口尺寸，用第二個條件校核冒口的補縮能力。（一）模數法冒口的補縮效率（％）4）模數法計算冒口的步驟①計算鑄件的模數對有多個形狀，尺寸不同的熱節(jié)點，應在每個熱節(jié)點安放冒口，分別算出其模數。②計算相應部分冒口的模數③確定縮孔率包括液態(tài)收縮和凝固收縮。這兩部分體收縮率的大小直接影響縮孔體積。一般碳鋼隨著碳量的增加體積收縮率增加，含碳量相同時澆注溫度越高，ε值越大。表達式，ε=εC+εX，εX=∑KiXi

Xi—合金元素的含量；Ki—修正系數（一）模數法4）模數法計算冒口的步驟合金元素WNiMnCrSiTi修正系數K-0.53-0.0354+0.0585+0.12+1.03+1.70例如：1450度澆注的高錳鋼

，C:1.5%Mn:15%Si:0.3%Cr:1.25%，則：εV=5+0.0585?15+1.03?0.3+0.12?1.25=6.31%含c量0.1%0.2%0.4%0.8%1.0%εC（15600C）34.05.06.06.5εC（16000C）3.54.45.66.77.2④確定冒口的具體尺寸和形狀——查標準冒口表；⑤根據冒口的有效補縮距離，校核冒口數目；⑥根據公式校核冒口的最大補縮能力；忽略VS；可得：⑦校核冒口的工藝出品率工藝出品率=4）模數法計算冒口的步驟五．冒口的設計（二）縮管法縮管法是用幾何方法來確定冒口的尺寸，它對于大多數合金都較為適用。對大量的球鐵和可鍛鑄鐵冒口的解剖發(fā)現，冒口中縮孔的形狀類似管狀，而且管和管兩邊的厚度（保溫壁）基本是一致的。如圖所示，為了便于計算，將冒口中的縮管近似看成是圓柱形的。二、縮管法設計方法：先設計一縮管，然后在它的外圍加一層保溫壁并使縮管在冒口中具有一定的壓頭，以保證縮管中的金屬液在鑄件凝固之前處于液態(tài)和保持補縮通道的暢通?？s管型側冒口結構如圖所示。它包含有直徑為DP、高度為HP的縮管、保溫壁厚W，為縮管提供的最小壓力頭HM和冒口底深度HB。

1）縮管：冒口中心空心圓管體部分，其直徑為DP，高度為HP，縮管體積為VP，它所包含的金屬量必須大于至少等于鑄件收縮時的需補量。

計算公式：

2）保溫壁厚W:

它的模數必須大于至少等于鑄件被補縮處的模數，以保證鑄件在凝固過程中縮管部分的金屬始終為液態(tài)，使冒口中心保持補縮通道暢通，它始終是決定冒口直徑最重要的參數。（二）縮管法

3）冒口高度，分為三個部分：HP：縮管高度，在任何情況下，縮管的最低點應高于鑄件被補縮處的最高點。HM：冒口中最小壓力頭（從縮管底至冒口頸頂部的一段距離），也稱為冒口的加壓部分。它必須高于冒口頸上平面，以使鑄件在整個階段保持正的補縮壓力。HB:冒口底高度，即從冒口頸頂部到冒口最低處距離。4）冒口頸：冒口與鑄件連接的部分，其尺寸正確與否對鑄件質量關系重大?？s管法設計冒口的原則是采用較大的冒口頸，使鑄件與冒口在整個凝固期間與鑄件相通。（二）縮管法（二）縮管法縮管法計算步驟與原理：1）計算鑄件（或鑄件被補縮部分）體積V件和模數M件；2）計算鑄件（或鑄件被補縮部分）所需補縮金屬液的體積。它等于縮管的體積VP=εV?V件；εV為各種合金的實際體收縮率，可查表。如果幾個鑄件共用一個冒口，則總的補縮量為V=VP?N。N—鑄件數目。

球鐵可鍛鑄鐵HT150HT200HT300鑄鋼鋁合金銅合金濕型55-60-1.51-22-3———干型3—-1-10.5-1.51.5-2.55-65-64-53）求縮管高度和直徑一般情況下，當冒口直徑Dr不大，且冒口高度Hr與冒口直徑Dr之比為1時，HP/DP=2.5；冒口直徑大，而且冒口高度Hr與冒口直徑Dr之比為1.5時，

HP/DP=4；對白口鑄鐵HP/DP=2.5。所以,又因為