鑄造工藝學(xué) 第2版 課件 第5章 冒口及冷鐵

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

鑄件凝固時(shí)的收縮對(duì)鑄件質(zhì)量有較大的影響，尤其在航空鑄件生產(chǎn)中，鋁鎂合金占比重較大，而它們的凝固收縮比較大。如果這些鑄件在凝固時(shí)得不到適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，由于收縮將會(huì)產(chǎn)生縮孔和縮松。

在生產(chǎn)中，為了防止縮孔和縮松的產(chǎn)生，常常采用在最后凝固的部位設(shè)置冒口和冷鐵的工藝措施，從而有效地控制鑄件的凝固過(guò)程，補(bǔ)充鑄件的收縮，防止鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋和變形等鑄件缺陷。5.1概述第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

逐層凝固方式的合金易產(chǎn)生集中縮孔，只要冒口有適當(dāng)?shù)娜莘e和產(chǎn)生足夠的溫度梯度就能防止鑄件產(chǎn)生縮孔和在其中心部分出現(xiàn)宏觀縮松。

寬凝固范圍的合金與逐層凝固的合金相比較，對(duì)冒口所產(chǎn)生的溫度梯度更敏感。較大的冒口會(huì)在冒口附近區(qū)域造成不利的溫度梯度，使得鄰近冒口的區(qū)域內(nèi)疏松增加。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

因此，對(duì)于糊狀凝固方式的寬結(jié)晶溫度范圍的合金，應(yīng)當(dāng)采用盡可能小的冒口，以便防止宏觀疏松。這樣也將使顯微縮松減至最小限度。如果采用一個(gè)較小的絕熱冒口，它所產(chǎn)生的溫度梯度將更有利于得到較高質(zhì)量的鑄件。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.2冒口的作用、種類及對(duì)它的要求

冒口是鑄型內(nèi)用以儲(chǔ)存金屬液的空腔，習(xí)慣上把冒口所鑄成的金屬實(shí)體也稱為冒口。圖5-1冒口對(duì)鑄件質(zhì)量的影響第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.2.1冒口的作用1）補(bǔ)償鑄件凝固時(shí)的收縮。

即將冒口設(shè)置在鑄件最后凝固的部位，由冒口中的合金液補(bǔ)償其體收縮，使收縮形成的孔洞移入冒口，防止鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)2）調(diào)整鑄件凝固時(shí)的溫度分布，控制鑄件的凝固順序。

鋁、鎂合金鑄件及鑄鋼件的生產(chǎn)中，一般都使用較大的冒口，冒口內(nèi)蓄積了大量的液態(tài)金屬并且散熱很慢，對(duì)凝固前的溫度調(diào)整和凝固的溫度分布產(chǎn)生一定的影響。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

現(xiàn)在普遍采用以下工藝措施來(lái)提高和保持冒口內(nèi)金屬液的溫度，Ⅰ.保溫冒口Ⅱ.將冒口置于橫澆道、內(nèi)澆道上Ⅲ.將冒口和縫隙澆道連通及開設(shè)輔助澆道充填冒口

這對(duì)鑄件在凝固階段形成向著冒口方向的順序凝固有明顯的作用。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)3）集渣排氣4）利用明冒口觀察鑄型中金屬液充填情況。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.2.2對(duì)冒口設(shè)計(jì)的要求冒口設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的基本原則如下：1）冒口的凝固時(shí)間應(yīng)大于或等于熱節(jié)處（被補(bǔ)縮部位）的凝固時(shí)間。2）冒口應(yīng)有足夠大的體積，以保證有足夠的金屬液補(bǔ)充鑄件的液態(tài)收縮和凝固收縮。使縮孔留在冒口內(nèi)，而不留在鑄件內(nèi)（圖5-2）。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)圖5-2冒口示意圖第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)3）在鑄件整個(gè)凝固的過(guò)程中，需有一定的補(bǔ)縮壓力及補(bǔ)縮通道。對(duì)于結(jié)晶溫度間隔較寬、易于產(chǎn)生分散性縮松的合金鑄件，還需要注意將冒口與澆注系統(tǒng)、冷鐵、工藝補(bǔ)貼等配合使用，使鑄件在較大的溫度梯度下，自遠(yuǎn)離冒口的末端區(qū)逐漸向著冒口方向?qū)崿F(xiàn)明顯的順序凝固。4）在滿足上述條件的前提下，應(yīng)使冒口體積最小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清理方便。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.2.3冒口的種類冒口的分類方法很多，其種類繁多，如圖所示。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.3冒口位置的選擇5.3.1冒口的補(bǔ)縮原理

1.冒口與鑄件間的補(bǔ)縮通道

在鑄件凝固過(guò)程中，要使冒口中的金屬液能夠不斷地補(bǔ)償鑄件的體收縮，冒口與鑄件被補(bǔ)縮部位之間應(yīng)始終保持著暢通的補(bǔ)縮通道。否則，冒口再大也起不到補(bǔ)縮作用。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

如圖5-5所示鑄件的凝固過(guò)程，由于凝固是從下部和從壁的兩側(cè)同時(shí)推進(jìn)的，這樣在液相線之間便形成了向冒口方向擴(kuò)張的夾角φ，角φ稱為補(bǔ)縮通道擴(kuò)張角。圖5-5鑄件的凝固過(guò)程第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

在向著冒口張開的擴(kuò)張角φ范圍內(nèi)的合金都處于液態(tài)，且始終與鑄件凝固區(qū)域保持暢通，形成補(bǔ)縮通道，使冒口中的金屬液在重力作用下能暢通無(wú)阻地補(bǔ)充到鑄件凝固區(qū)域中去?？梢?jiàn)，冒口的補(bǔ)縮效果不僅取決于冒口大小和凝固時(shí)間，還取決于鑄件凝固時(shí)的補(bǔ)縮通道是否暢通。圖5-5鑄件的凝固過(guò)程第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)2.冒口的有效補(bǔ)縮距離（1）冒口有效補(bǔ)縮距離的概念

圖5-6表示一個(gè)板狀鑄件的凝固過(guò)程。很明顯，在遠(yuǎn)離冒口的一端由于鑄件存在冷卻端面，形成一定的溫度梯度，末端部分凝固比中間快，前沿呈楔形，補(bǔ)縮通道擴(kuò)張角φ1比較大，凝固時(shí)易于補(bǔ)縮，末端區(qū)l3是致密的無(wú)縮孔、無(wú)縮松區(qū)。圖5-6板狀鑄件凝固示意圖a)末端區(qū)開始凝固，補(bǔ)縮通道暢通

b)末端區(qū)凝固完畢軸線區(qū)通道消失c)鑄件凝固三個(gè)區(qū)域第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

而靠近冒口一側(cè)由于冒口中金屬液的熱量集中，使其結(jié)晶速度較平板的中心部分慢，凝固前沿也呈楔形，補(bǔ)縮通道擴(kuò)張角φ2比較大，因此l1區(qū)也是致密的。l1區(qū)稱冒口作用區(qū)（冒口區(qū)）。圖5-6板狀鑄件凝固示意圖a)末端區(qū)開始凝固，補(bǔ)縮通道暢通

b)末端區(qū)凝固完畢軸線區(qū)通道消失c)鑄件凝固三個(gè)區(qū)域第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

如果末端區(qū)l3與冒口區(qū)l1是連在一起的，便可獲得致密鑄件，如圖5-7左半部。圖5-6板狀鑄件凝固示意圖a)末端區(qū)開始凝固，補(bǔ)縮通道暢通

b)末端區(qū)凝固完畢軸線區(qū)通道消失c)鑄件凝固三個(gè)區(qū)域圖5-7冒口有效補(bǔ)縮距離示意圖第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

如果l3與l1之間存在一個(gè)l2的中間區(qū)域時(shí)，冒口的熱作用和末端的激冷作用都達(dá)不到，凝固前沿互相平行，補(bǔ)縮通道擴(kuò)張角很小，到凝固后期，由于枝晶的生長(zhǎng)，阻礙了補(bǔ)縮通道，這里就會(huì)產(chǎn)生軸線縮松（圖5-7右半部分）。圖5-7冒口有效補(bǔ)縮距離示意圖L-有效補(bǔ)縮距離；l1-冒口補(bǔ)縮區(qū)；l3-末端邊角激冷區(qū)；l2-縮松區(qū)第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

由此可見(jiàn)，一個(gè)冒口只能在鑄件壁的某一段范圍內(nèi)有補(bǔ)縮效果，這個(gè)范圍就是冒口末端區(qū)與冒口作用區(qū)之和，稱之為冒口的有效補(bǔ)縮距離。用L表示，即L＝l1+l3。如果鑄件需要被補(bǔ)縮部分的長(zhǎng)度超過(guò)這個(gè)距離，就會(huì)產(chǎn)生縮孔或縮松。反之，被補(bǔ)縮部分是致密的。

冒口補(bǔ)縮距離是指長(zhǎng)度方向而言，實(shí)際上不僅包括長(zhǎng)度方向，也包括周圍各方向。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

人們常用冒口補(bǔ)縮距離長(zhǎng)度與鑄件厚度的倍數(shù)來(lái)表示冒口的有效補(bǔ)縮范圍。不同類型的冒口都有一定的補(bǔ)縮范圍。

冒口有效補(bǔ)縮范圍＝冒口有效補(bǔ)縮距離+冒口半徑。通過(guò)它，可確定冒口的數(shù)量。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)（2）影響冒口有效補(bǔ)縮距離的因素

冒口的有效補(bǔ)縮距離與合金種類、鑄件結(jié)構(gòu)、幾何形狀以及鑄件凝固方向上的溫度梯度有關(guān)，也和凝固時(shí)析出氣體的反壓力及冒口的補(bǔ)縮壓力有關(guān)。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)1)合金種類的影響

鑄造合金的種類不同其凝固特性也不同，因而，冒口的有效補(bǔ)縮距離也有很大的不同。獲得致密鑄件對(duì)最小溫度梯度要求也不同。

①鑄鋼件冒口的有效補(bǔ)縮距離：

對(duì)于普通碳鋼，只要保證溫度梯度大于0.5℃/cm，就可使補(bǔ)縮通道暢通，獲得致密鑄件。碳鋼鑄件的冒口有效補(bǔ)縮距離如圖5-8所示，一般的L＝4.5T。更精確的數(shù)據(jù)可依圖5-9曲線查出，這些曲線是用WC=0.2～0.3％的碳鑄鋼件的試驗(yàn)取得的。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)圖5-8板件及桿件鑄鋼冒口的補(bǔ)縮距離板形件

b)桿形件

1-冒口

2-鑄件第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)圖5-9冒口區(qū)、末端區(qū)與壁厚的關(guān)系鑄件斷面的寬厚比：1-5:12-4:13-3:14-2:15-1.5:16-1:1第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)②有色合金的冒口有效補(bǔ)縮距離

鋁合金中結(jié)晶溫度間隔較窄的ZL102、ZL104等合金（共晶型），易于形成集中縮孔，一般可取較大的冒口有效補(bǔ)縮距離。有關(guān)資料認(rèn)為，在端部未放冷鐵時(shí)，冒口的補(bǔ)縮距離為4.5T。

而大多數(shù)鋁、鎂合金屬于非共晶型，其結(jié)晶溫度間隔較寬，合金密度小，冒口的補(bǔ)縮效果很差，冒口的有效補(bǔ)縮距離很小。對(duì)這類鋁合金常取冒口補(bǔ)縮距離為2T。

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

對(duì)鎂合金，幾乎難以確定其補(bǔ)縮距離，因?yàn)椴徽摪寮L(zhǎng)度如何，均存在不同程度的縮松，一般都采用將冒口和冷鐵配合使用的方法，來(lái)消除鑄件整個(gè)斷面上分散的縮松缺陷。

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)③鑄鐵件冒口的有效補(bǔ)縮距離：

灰鑄鐵件通用冒口的補(bǔ)縮距離如圖5-10所示。由于可利用石墨化共晶膨脹壓力來(lái)克服縮松，灰鑄鐵件冒口的補(bǔ)縮距離較大。而高牌號(hào)鑄鐵的共晶度低，結(jié)晶溫度范圍寬，共晶轉(zhuǎn)變前析出奧氏體，阻礙補(bǔ)縮，故冒口補(bǔ)縮距離較小。圖5-10灰鑄鐵冒口補(bǔ)縮距離與共晶度的關(guān)系第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

球墨鑄鐵件基本上屬于糊狀凝固方式，補(bǔ)縮條件不好。因而球鐵件冒口的有效補(bǔ)縮距離比灰鑄鐵小。根據(jù)有關(guān)資料介紹，當(dāng)球鐵件壁厚在25.4mm以下時(shí)，冒口的有效補(bǔ)縮距離在絕大多數(shù)情況下為(3～4)T，詳見(jiàn)表5-1。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)3）冷鐵的影響

在鑄件上合理地安放冷鐵，利用冷鐵的激冷作用使鑄件朝著冒口方向的溫度梯度增大，加強(qiáng)鑄件的順序凝固，從而增加冒口的有效補(bǔ)縮距離。圖5-11冷鐵對(duì)冒口有效補(bǔ)縮距離的影響第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

如圖5-11(a)所示，由于在板件的端部安放了冷鐵，末端區(qū)的長(zhǎng)度擴(kuò)大了l4，對(duì)低碳鋼板件l4，約為50mm。圖5-11冷鐵對(duì)冒口有效補(bǔ)縮距離的影響第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)4）多冒口的影響

當(dāng)有多個(gè)冒口存在時(shí)，冒口與冒口之間的有效補(bǔ)縮距離須減去末端作用區(qū)，見(jiàn)圖5-11(b)。圖5-11冷鐵對(duì)冒口有效補(bǔ)縮距離的影響第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5）析出氣體壓力與冒口補(bǔ)縮壓力的影響

鑄件凝固過(guò)程中會(huì)析出氣體，析出氣體的反壓力會(huì)增加液流補(bǔ)縮的阻力，減小冒口的有效補(bǔ)縮距離。

而增大冒口的補(bǔ)縮壓力，其有效補(bǔ)縮距離會(huì)增加。所以在生產(chǎn)中，采用加大冒口高度，在高壓釜中澆注鑄件及使用大氣冒口等增加冒口補(bǔ)縮壓力的措施，都會(huì)提高冒口的有效補(bǔ)縮距離。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)6）鑄件的技術(shù)要求

如氣密性。根據(jù)要求的高低，也可適當(dāng)調(diào)整冒口的個(gè)數(shù)。如果要求高，冒口的有效補(bǔ)縮距離可取短些，個(gè)數(shù)可選多些。如果要求不高，冒口的有效補(bǔ)縮距離可選長(zhǎng)些，這樣冒口的個(gè)數(shù)就會(huì)少些。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)3.工藝補(bǔ)貼

在實(shí)際生產(chǎn)中有些鑄件需補(bǔ)縮的高度超過(guò)冒口的有效補(bǔ)縮距離。由于鑄件結(jié)構(gòu)或鑄造工藝上不便，難以在中部設(shè)置暗冒口，此時(shí)單靠增加冒口直徑和高度，不能顯著提高補(bǔ)縮效果，且增大冒口會(huì)使大量液流經(jīng)過(guò)內(nèi)澆道，造成澆道附近和冒口根部因過(guò)熱而產(chǎn)生疏松。在這種情況下，一般在鑄件壁板的一側(cè)增加工藝補(bǔ)貼，利用壁厚差，提高溫度梯度，增加冒口的有效補(bǔ)縮距離，提高冒口的補(bǔ)縮效率(如圖5-12)。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)圖5-12鑄造工藝補(bǔ)貼示意圖a)水平普通b)垂直補(bǔ)貼第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

水平補(bǔ)貼量的最大長(zhǎng)度為冒口模數(shù)的4.7倍。對(duì)含碳量為0.25％的鋼鑄件，板形鑄件只需2／100的斜度；桿件的補(bǔ)貼斜度為9／100。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

對(duì)垂直補(bǔ)貼的板狀鋼鑄件，其補(bǔ)貼厚度與鑄件厚度、高度之間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5-13。

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

桿形鑄件的有效補(bǔ)縮距離比板件小，需要較大補(bǔ)貼值，才能保證鑄件致密。求桿形鑄件的補(bǔ)貼值時(shí)，首先按桿的厚度從圖5-13中查出補(bǔ)貼厚度，再根據(jù)桿的寬厚比從表5-2中查出補(bǔ)償系數(shù)，兩者乘積即為桿的補(bǔ)貼上口的厚度。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.3.2冒口位置的的選擇

冒口位置選擇得是否恰當(dāng)，對(duì)于能否獲得優(yōu)質(zhì)鑄件有著重大影響。如果選擇不當(dāng)，將會(huì)造成不良影響，不僅不能削除鑄件上的縮孔和縮松，反而造成應(yīng)力裂紋，加重冒口附近產(chǎn)生縮松程度和使清理、切割冒口不便。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)1.確定冒口位置的程序1）綜合考慮鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、澆注位置、金屬液引入位置、澆注系統(tǒng)類型、冷鐵情況等工藝因素。2）用畫內(nèi)切圓或等溫等固線的方法，找出“熱節(jié)”，這樣就可大致確定位置。3）鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，可把鑄件劃分成若干個(gè)簡(jiǎn)單的形狀，并對(duì)所劃分的每個(gè)部分提供一個(gè)適當(dāng)?shù)拿翱?。?duì)于那些壁厚均勻的鑄件，則需根據(jù)冒口的有效補(bǔ)縮距離來(lái)確定冒口的位置和個(gè)數(shù)。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)2.選擇冒口位置的原則1）冒口應(yīng)盡量放在鑄件被補(bǔ)縮部位或最后凝固的熱節(jié)的上方或側(cè)旁。2）冒口應(yīng)盡量放在鑄件最高最厚的地方，以便利于金屬液進(jìn)行重力補(bǔ)縮。圖5-14應(yīng)用冷鐵使冒口分區(qū)補(bǔ)縮1-明冒口2-暗冒口3-冷鐵第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)3）如果在鑄件的不同高度上有熱節(jié)需要補(bǔ)縮時(shí)，可按不同水平面安放冒口，但不同高度上，冒口的補(bǔ)縮壓力是不平衡的。有可能導(dǎo)致上面冒口補(bǔ)縮下面冒口，應(yīng)采取措施將其隔離，一般采用冷鐵(圖5-14、5-15）。圖5-14應(yīng)用冷鐵使冒口分區(qū)補(bǔ)縮1-明冒口2-暗冒口3-冷鐵第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5）盡量使一個(gè)冒口同時(shí)補(bǔ)縮一個(gè)鑄件的幾個(gè)熱節(jié)，或幾個(gè)鑄件的熱節(jié)，見(jiàn)圖5-16。圖5-16一個(gè)冒口補(bǔ)縮兩個(gè)熱節(jié)1-冷鐵2-鑄件3-暗冒口4）冒口應(yīng)盡可能不阻礙鑄件的收縮，冒口不應(yīng)放在鑄件應(yīng)力集中處，以免引起裂紋。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)6）為了使冒口最后凝固，加強(qiáng)順序凝固。盡可能使內(nèi)澆道靠近冒口或通過(guò)冒口。使金屬液通過(guò)冒口進(jìn)入型腔(如圖5-17所示)。這樣流入型腔的金屬液對(duì)冒口有預(yù)熱作用，同時(shí)在充填過(guò)程中還起一定的擋渣作用。圖5-17在內(nèi)澆道上安放冒口1-鑄件2-出氣孔3-暗冒口4-橫澆道

5-內(nèi)澆道6-冷鐵第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)7）冒口最好布置在鑄件需要機(jī)械加工的表面上，以減少精整鑄件的工時(shí)。圖5-18是冒口位置不便于切割的實(shí)例。如將該鑄件倒過(guò)來(lái)放，把冒口移到鑄件的上部和外側(cè)，這樣既解決了補(bǔ)縮問(wèn)題，又便于冒口的切割。

圖5-17冒口位置不便切割第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.4冒口尺寸的計(jì)算5.4.1比例法

比例法是確定冒口尺寸最常用的方法。廣泛應(yīng)用于鋁、鎂合金鑄件的生產(chǎn)。它以冒口根部直徑dM(或根部寬度)為冒口的主要尺寸，以鑄件熱節(jié)圓直徑dy(或厚度T)為確定dM的主要依據(jù)，即在不同的情況下用dy乘上一定的比例系數(shù)求得dM，冒口的其它尺寸由dM決定。

比例法是從長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的，每個(gè)工廠都有適合于本廠的dy與dM的比例關(guān)系。我們?cè)谶@里只對(duì)這種方法加以介紹，具體數(shù)據(jù)僅供參考。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)1.確定補(bǔ)縮方式

不同的補(bǔ)縮方式，其補(bǔ)縮效果就不同。如垂直補(bǔ)縮，它的補(bǔ)縮通道是豎直方向上的，利于重力補(bǔ)縮；而水平補(bǔ)縮方式，補(bǔ)縮通道是水平的，不利于重力補(bǔ)縮。2.頂冒口尺寸的確定(1)垂直補(bǔ)縮方式

當(dāng)冒口沿鑄件的垂直方向向下補(bǔ)縮時(shí)，其補(bǔ)縮效果較好，冒口直徑dM與dy的比值可查表。根據(jù)鑄件熱節(jié)圓直徑dy(或壁厚T)和鑄件高度HZ與dy的比值找出dM／dy的比值，就可算出dM。一般dM/dy＝1.1～1.8，即dM＝(1.1～1.8)dy(5-1)第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)圖5-19頂冒口的兩種補(bǔ)縮方式第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)(2)水平補(bǔ)縮方式

冒口沿水平方向補(bǔ)縮鑄件(如圖5-19(b))，其補(bǔ)縮效果不如垂直方向好，所以水平補(bǔ)縮的冒口直徑要比垂直補(bǔ)縮時(shí)大，一般dM＝(1.1～2.3)dy

(5-3)HM＝(1.5～2.5)dM(5-4)圖5-18頂冒口的兩種補(bǔ)縮方式第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)圖5-18頂冒口的兩種補(bǔ)縮方式

當(dāng)鑄件較薄時(shí)，dM／dy的比值應(yīng)取大一些，鑄件較厚時(shí)，則可取小一些。冒口高度的確定方法與垂直補(bǔ)縮時(shí)相同。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)（3）側(cè)冒口尺寸的確定

由于側(cè)冒口的補(bǔ)縮效果較差，所以選取的比例系數(shù)應(yīng)比頂冒口的大(圖5-20)。根據(jù)生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)，可按下列比例確定：dM＝(1.5～2.5)dy(5-5)d頸＝(1.1～1.5)dy(5-6)HM＝(1.5～2.5)dM(5-7)如果金屬液通過(guò)側(cè)冒口流入型腔時(shí)，冒口尺寸可適當(dāng)縮小。

圖5-20側(cè)冒口尺寸的確定

側(cè)冒口與鑄件之間應(yīng)保持一定的距離，一般可控制在(0.15～0.2)dM范圍內(nèi)(不小于15mm)。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意：

1)確定冒口根部直徑D的比例系數(shù)值在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，當(dāng)熱節(jié)圓直徑d小時(shí)，此值取上限；當(dāng)d值大時(shí)，此值取下限。2)冒口根部直徑D值確定以后，再由表5-4中選擇恰當(dāng)?shù)谋壤荡_定冒口高度H。冒口高度H愈大，冒口中金屬液的補(bǔ)縮壓力愈大，有利于補(bǔ)縮。但是，由于工藝操作等因素，H也不能選擇過(guò)大。當(dāng)D值小時(shí)，比例系數(shù)取上限，D值大時(shí)，比例系數(shù)取下限。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

3)冒口延續(xù)度是指冒口根部沿鑄件長(zhǎng)度方向尺寸之和占鑄件被補(bǔ)縮部分長(zhǎng)度的百分比。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)（5）確定冒口其它尺寸

在確定了冒口主要尺寸dM和HM之后，還應(yīng)設(shè)計(jì)好冒口根部的形狀和尺寸。1)冒口與鑄件的連接角

冒口根部與鑄件直接相連，因此其形狀、大小應(yīng)與該處鑄件的形狀大小相符合。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

①當(dāng)算出的冒口直徑小于或等于該處的水平尺寸時(shí)(或?qū)ρa(bǔ)縮作用要求不高時(shí))。冒口斜度取3°～5°(圖5-21a)。

②如果算出的冒口直徑大于連接處的水平尺寸時(shí)(或需要較強(qiáng)補(bǔ)縮作用時(shí))，可將冒口根部斜度取為10°～15°直至與算出的冒口直徑相連接(圖5-21b)。圖5-21冒口根部與鑄件的連接形式第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

③如果冒口直徑超出鑄件水平尺寸很多，而鑄件又需要很強(qiáng)的補(bǔ)縮作用時(shí)，冒口根部的斜度可增至45°，或?qū)⒚翱诟吭O(shè)計(jì)成球形(圖5-21d)。

④圖5-21c所示的冒口根部形狀，尺寸與圖5-21b的基本相同，只是在冒口根部有一個(gè)很小的“縮頸”，使冒口根部留有較明顯的切割位置標(biāo)記，便于切割。圖5-21冒口根部與鑄件的連接形式第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)2)冒口根本的縮頸

冒口根部縮頸不宜過(guò)高(小于6mm)，直徑不宜過(guò)小(不小于冒口根部直徑的90％)，否則，將顯著影響冒口的補(bǔ)縮效果。3)冒口根部與鑄件連接處應(yīng)倒圓角，以免造成裂紋第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)4)補(bǔ)貼工藝余量

一般用作圖法獲得，采用熱節(jié)圓逐漸上移，作出它們的公切線，再作一條斜度為3°～5°的斜線。鑄件被加厚的部分就是補(bǔ)貼工藝余量，計(jì)算冒口時(shí)，應(yīng)將其看成鑄件的一部分。

補(bǔ)貼工藝余量，一般都附在鑄件的加工表面，最后由機(jī)械加工切除。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)3)冒口的延續(xù)度，為冒口根部沿鑄件長(zhǎng)度方向之和∑di或∑Bi與鑄件應(yīng)被補(bǔ)縮部分長(zhǎng)度之比。

冒口延續(xù)度的物理意義是冒口根部尺寸在鑄件水平長(zhǎng)度L上占有一定比例時(shí)，才能保證把整個(gè)長(zhǎng)度都能補(bǔ)縮完全，不出現(xiàn)縮孔、縮松。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.4.2公式計(jì)算法

根據(jù)對(duì)冒口設(shè)計(jì)四條要求，人們推導(dǎo)和總結(jié)了各式各樣的冒口計(jì)算公式。其中尤以“冒口方程式”介紹最多，Chvorinov從冒口應(yīng)比鑄件凝固得晚以及冒口應(yīng)有足夠的金屬液補(bǔ)償鑄件凝固時(shí)的收縮這兩條原則出發(fā)，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出了如下通用的冒口方程式：

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

但是，在實(shí)際當(dāng)中，不可能滿足這三個(gè)條件，它們對(duì)凝固都有影響。這樣，就要引起對(duì)這個(gè)公式的修正。①考慮到形狀、結(jié)構(gòu)對(duì)凝固的影響，乘上一個(gè)形狀修正系數(shù)μS；②考慮到鑄造合金絕大多數(shù)都是有結(jié)晶溫度間隔，不同合金成分其結(jié)晶溫度間隔不同，冷卻速度、導(dǎo)熱及補(bǔ)縮情況不同，所以考慮μ△t③不同的澆注溫度，其凝固時(shí)間是不同的。這樣冒口的體積也將不同。故須考慮過(guò)熱影響μh④鑄件與鑄型之間的間隙，對(duì)凝固時(shí)間也有較大影響，間隙大，冷卻慢。所以，也要考慮μg第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.4.3模數(shù)法

在鑄鋼件冒口設(shè)計(jì)中，模數(shù)法得到了廣泛應(yīng)用，隨著鑄造工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展，模數(shù)法被認(rèn)為是一種方便可行的方法。模數(shù)法的基本條件有兩條：

第一，冒口凝固時(shí)間應(yīng)大于或至少等于鑄件被補(bǔ)縮部位的凝固時(shí)間。在冒口計(jì)算中引入模數(shù)概念后，只要滿足Mr≥Mc時(shí)冒口就能比鑄件晚凝固。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于鋼鑄件來(lái)說(shuō)，只要滿足下列比例即能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)頂明冒口Mr=(1.1～1.2)Mc(5-20)側(cè)暗冒口Mc：Mn：Mr=1：1.1：1.2(5-21)內(nèi)澆道通過(guò)冒口澆注時(shí)：Mc：Mn：Mr=1：(1～1.03)：1.2(5-22)

冒口頸長(zhǎng)度L=2.4Mc=2Mr

（5-23）式中：Mc-鑄件被補(bǔ)縮處的模數(shù)；Mn-冒口頸模數(shù)；Mr-冒口模數(shù)。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

計(jì)算冒口時(shí)，通常根據(jù)第一個(gè)基本條件即公式(5-20)、(5-21)或(5-22)、（5-23）確定冒口尺寸，用第二個(gè)基本條件校核冒口的補(bǔ)縮能力，即檢查是否有足夠的合金液補(bǔ)償鑄件的收縮。以上就是模數(shù)法確定冒口尺寸的原理。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)設(shè)計(jì)步驟：1)把鑄件劃分為幾個(gè)補(bǔ)縮區(qū)，計(jì)算各區(qū)的鑄件模數(shù)M，。2)計(jì)算冒口及頸的模數(shù)。3)確定冒口形狀和尺寸(應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)系列的冒口尺寸)。4)檢查順序凝固條件，如補(bǔ)縮距離是否足夠，補(bǔ)縮通道是否暢通5)校核冒口補(bǔ)縮能力。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.4.6評(píng)定冒口補(bǔ)縮作用的方法

冒口尺寸確定得是否可靠、合理，冒口是否發(fā)揮了有效補(bǔ)縮作用、應(yīng)通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐的檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)或評(píng)定的方法除上述的比較鑄件實(shí)收率外，還有以下幾種方法：1.實(shí)際檢驗(yàn)鑄件質(zhì)量：

按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收技術(shù)文件規(guī)定的項(xiàng)目來(lái)檢驗(yàn)鑄件質(zhì)量，如通過(guò)X光透視檢查鑄件是否有與冒口設(shè)計(jì)有關(guān)的縮孔和縮松缺陷。此種方法對(duì)結(jié)晶溫度范圍較窄，易產(chǎn)生集中縮孔的合金鑄件比較有利。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)2.檢驗(yàn)冒口的縮孔深度：

從鑄件上鋸下冒口，再沿其中心線鋸開，測(cè)定冒口中縮孔的深度，如圖5-23所示。冒口中的縮孔應(yīng)與冒口根部有一定的距離(即安全高度ha)。因?yàn)樵诳s孔下部附近存有一定的縮松區(qū)；同時(shí)，冒口中金屬液混有某些金屬或非金屬夾雜物，在補(bǔ)縮過(guò)程中它們會(huì)隨金屬液面的下降而下降。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

如果縮孔與冒口根部的距離小于安全高度，甚至縮孔深度(hS)恰好等于冒口的高度，則縮松區(qū)和夾雜物就會(huì)侵入鑄件。安全高度ha一般控制在(0.2～0.3)dr的范圍內(nèi)。

如果冒口中的縮孔遠(yuǎn)離根部、即比安全高度ha大很多時(shí)，則說(shuō)明冒口尺寸過(guò)大。為了提高鑄件實(shí)收率，應(yīng)適當(dāng)縮小冒口尺寸(一般減小冒口高度)。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

如果縮孔離冒口根部的距離小于ha，甚至侵入鑄件，則說(shuō)明冒口尺寸過(guò)小，應(yīng)適當(dāng)增大(一般增大冒口直徑或?qū)挾?，以保證鑄件質(zhì)量，這種方法對(duì)結(jié)晶溫度范圍較窄的合金比較實(shí)用。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)3.測(cè)定冒口凝固時(shí)間變化率：

評(píng)定寬結(jié)晶溫度范圍合金鑄件的冒口有效補(bǔ)縮作用的最簡(jiǎn)單易行的方法是測(cè)定冒口的凝固時(shí)間變化率。

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)(1)測(cè)定方法：把一根套有外徑為2mm的雙孔陶瓷管的熱電偶，置于冒口型腔中心(如圖5-24)，用一臺(tái)普通的記錄儀直接畫出冒口凝固時(shí)間的溫度-時(shí)間曲線，則冒口的凝固時(shí)間就可從記錄紙上量取。(2)條件：冒口在單獨(dú)和與鑄件組合澆注時(shí)，所使用的合金種類、澆注溫度和鑄型材料等工藝條件均相同。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)(3)判別：

當(dāng)τs>τb時(shí)，F(xiàn)r>0，則冒口的補(bǔ)縮通道未被截?cái)?，可認(rèn)為冒口中的熱量流向鑄件，冒口具有一定的補(bǔ)縮作用。Fr越大，冒口給予鑄件的熱量越多，冒口的補(bǔ)縮作用就越大。

當(dāng)τs<τb時(shí)，F(xiàn)r<0，說(shuō)明冒口尺寸過(guò)小，熱量從鑄件流向冒口，冒口比鑄件凝固早，起了相反的作用。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.5.1鑄鐵的體收縮特點(diǎn)：1)在凝固完畢前要經(jīng)歷一次(液態(tài))收縮、體積膨脹和二次收縮過(guò)程。5.5鑄鐵件實(shí)用冒口第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.5.1鑄鐵的體收縮特點(diǎn)：2)一次收縮、體積膨脹和二次收縮的大小并非確定值，而是在很大范圍內(nèi)變化。液態(tài)體收縮系數(shù)為(0.016～0.0245)×10-2／°C，體積膨脹量為3％～6％。5.5鑄鐵件實(shí)用冒口第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)影響因素：1.冶金質(zhì)量的影響

冶金質(zhì)量好的鑄鐵，液態(tài)收縮、體積膨脹和二次收縮值都小，因而形成縮孔、縮松和鑄件脹大變形的傾向小2.冷卻速度的影響

冷卻速度越大，鑄鐵的液態(tài)收縮、體積膨脹和二次收縮值也越大。

對(duì)小模數(shù)的薄壁件，如Mc<2.5cm，就應(yīng)安放冒口補(bǔ)縮。對(duì)大模數(shù)鑄件，MC≥2.5cm，凝固時(shí)間長(zhǎng)、降溫慢，對(duì)補(bǔ)縮要求低，甚至可用無(wú)冒口工藝。3.化學(xué)成分的影響

碳硅比(ωc／ωsi)=1.18時(shí)，球鐵的體收縮具有最小值。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.5.2實(shí)用冒口設(shè)計(jì)法

實(shí)用冒口設(shè)計(jì)法是讓冒口和冒口頸先于鑄件凝固，利用全部或部分的共晶膨脹量在鑄件內(nèi)部建立壓力，實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮，更有利于克服縮松缺陷。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)1.直接實(shí)用冒口(包括澆注系統(tǒng)當(dāng)冒口)安放冒口的目的是為了補(bǔ)給鑄件的液態(tài)收縮（一次）收縮，當(dāng)液態(tài)收縮終止或體積膨脹開始時(shí)，讓冒口頸及時(shí)凝固，在剛性好的高強(qiáng)度鑄型內(nèi)，鑄鐵的共晶膨脹形成內(nèi)壓，迫使鐵液流向縮孔縮松形成之處，避免形成縮孔縮松。

干型條件下，確定球鐵件的模數(shù)小于等于2.5cm時(shí)，適宜采用直接實(shí)用冒口。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

對(duì)于一般濕型鑄造而言，只有很薄的鑄件，球鐵件模數(shù)小于0.48cm，灰鑄鐵件模數(shù)小于0.75mm，才適宜采用直接實(shí)用冒口。

由于濕型的承壓能力所限，球鐵件的模數(shù)小于等于0.48cm時(shí)，灰鑄鐵件模數(shù)小于0.75mm時(shí)，適宜采用澆注系統(tǒng)當(dāng)直接實(shí)用冒口。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)2.控制壓力冒口

控制壓力冒口適于在濕型中鑄造（0.48cm<MC<2.5cm,砂型硬度>85）的球墨鑄鐵件，如圖5-27。安放冒口補(bǔ)給鑄件的液態(tài)收縮，在共晶膨脹初期冒口頸暢通，可使鑄件內(nèi)部鐵液回填冒口以釋放“壓力”。從而達(dá)到既無(wú)縮孔、縮松，又能避免鑄件脹大變形。這種冒口又叫“釋壓冒口”。a)澆注完畢

b)液態(tài)收縮

c)膨脹回填第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)3.無(wú)冒口補(bǔ)縮法的應(yīng)用條件

無(wú)冒口鑄造是高效益的方法，只要球鐵冶金質(zhì)量高，鑄件模數(shù)大，采用低溫澆注和緊固的鑄型，就能保證澆注型內(nèi)的鐵液，從一開始就膨脹，從而避免了收縮缺陷-縮孔的可能性，因而無(wú)需冒口。一般應(yīng)保證：1)要求鐵液的冶金質(zhì)量好。2)球鐵件的平均模數(shù)應(yīng)在2.5cm以上。當(dāng)鐵液冶金質(zhì)量非常好時(shí)，模數(shù)比2.5cm小的鑄件也能成功地應(yīng)用無(wú)冒口工藝。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)3)使用強(qiáng)度高、剛性大的鑄型，可用干型、自硬砂型、水泥砂型等鑄型。上下箱之間要用機(jī)械法(螺栓、卡鉤等)牢靠地鎖緊。4)要低溫澆注，澆溫控制在1300～1350°C。5)要求快澆，防止鑄型頂部被過(guò)分地烘烤和減少膨脹的損失。6)采用小的扁薄內(nèi)澆道，分散引入金屬。每個(gè)內(nèi)澆道的斷面積不超過(guò)15mm×60mm。希望盡早凝固完，以促使鑄件內(nèi)部盡快建立壓力。7)設(shè)明出氣孔，Φ20mm，相距1m，均勻布置。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.5.3鑄鐵件的均衡凝固技術(shù)1．均衡凝固(proportionalsolidification)的定義

鑄鐵液冷卻時(shí)產(chǎn)生體積收縮，凝固時(shí)因析出石墨又發(fā)生體積膨脹，膨脹可以抵消一部分收縮。

均衡凝固技術(shù)就是利用收縮和膨脹的動(dòng)態(tài)疊加，采取工藝措施，使單位時(shí)間的收縮與補(bǔ)縮、收縮與膨脹按比例進(jìn)行的一種凝固原則，可以理解為有限的順序凝固。

均衡凝固技術(shù)既強(qiáng)調(diào)用冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，又強(qiáng)調(diào)利用石墨化膨脹的自補(bǔ)縮作用。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)2．均衡凝固的工藝原則1)鑄鐵(灰鑄鐵、球鐵和蠕鐵)件的體收縮率是不確定的，不僅與化學(xué)成分、澆注溫度有關(guān)，還和鑄件大小、結(jié)構(gòu)、壁厚、鑄型種類、澆注工藝方案有關(guān)。2)越是薄小件越要強(qiáng)調(diào)補(bǔ)縮。厚大件補(bǔ)縮要求低。3)鑄鐵件的冒口不必晚于鑄件凝固，冒口模數(shù)可以小于鑄件模數(shù)。應(yīng)充分利用石墨化膨脹的自補(bǔ)縮條件。4)冒口不應(yīng)放在鑄件熱節(jié)點(diǎn)上。要靠近熱節(jié)以利于補(bǔ)縮；又要離開熱節(jié)，以減少冒口對(duì)鑄件的熱干擾。這是均衡凝固的技術(shù)關(guān)鍵之一。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5)開設(shè)澆冒口時(shí)，要避免在澆冒口和鑄件接觸處形成接觸熱節(jié)。6)推薦耳冒口、飛邊冒口(見(jiàn)圖5-30)等冒口頸短、薄、寬的形式。7)鑄件的厚壁熱節(jié)應(yīng)放在澆注位置的下部。如果鑄件大平面處于上箱，可采用溢流冒口保證大平面的表面品質(zhì)。8)采用冷鐵，平衡壁厚差，消除熱節(jié)。不僅能防止厚處熱節(jié)的縮松，且可使石墨化膨脹提前，減小冒口尺寸，增強(qiáng)自補(bǔ)縮作用。9)優(yōu)先采用頂注工藝。使先澆入的鐵液盡快靜止，盡早發(fā)生石墨化膨脹，以提高自補(bǔ)縮程度。避免切線引入，防止鐵液在型內(nèi)旋轉(zhuǎn)，降低石墨化膨脹的自補(bǔ)縮利用程度。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.6特種冒口5.6.1提高冒口補(bǔ)縮效率的方法

提高冒口補(bǔ)縮效率的方法還是應(yīng)該沿兩條思路去考慮：一是補(bǔ)給足夠的金屬液；二是強(qiáng)化補(bǔ)縮效果。

補(bǔ)給足夠的金屬液包括①保證一定的金屬壓頭，②補(bǔ)充鑄件的收縮，③關(guān)鍵是延長(zhǎng)冒口的凝固時(shí)間，有了第③點(diǎn)，前面①②兩個(gè)方面都能得到保證。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

強(qiáng)化補(bǔ)縮效果，需確保補(bǔ)縮通道暢通，要求盡快補(bǔ)縮。

因?yàn)殍T件凝固時(shí)間不可能太長(zhǎng)！

要想加快補(bǔ)縮，只有加大補(bǔ)縮壓力，方法有很多（如大氣壓力冒口、壓縮空氣冒口、氣彈冒口等）。

延長(zhǎng)冒口凝固時(shí)間可采用保溫冒口、發(fā)熱冒口、發(fā)熱保溫冒口等。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)1.保溫冒口

保溫冒口是用保溫性能好(即蓄熱系數(shù)小)的材料制成保溫冒口套，置于型腔中，并在冒口頂面覆蓋保溫板或松散保溫粉粒。這些都可大大延長(zhǎng)冒口的凝固時(shí)間，從而提高冒口的補(bǔ)縮效率，減小冒口尺寸，減少金屬液的損耗。

保溫冒口為什么能夠顯著提高冒口的補(bǔ)縮效率，我們只要分析一下普通冒口和理想保溫冒口的金屬平衡圖便能確切地回答這個(gè)問(wèn)題。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)圖5-32普通冒口和保溫冒口金屬平衡示意圖(a)普通冒口

(b)保溫冒口L-液態(tài)S-固態(tài)m-用于補(bǔ)縮鑄件的金屬第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

保溫冒口的金屬利用率與其材料的保溫性能有關(guān)。保溫性能越好，冒口凝固時(shí)間越長(zhǎng)，冒口的金屬利用率就越高。

可制作保溫冒口的保溫材料有：(1)纖維類保溫材料：常用的纖維類保溫材料有礦渣棉和陶瓷棉。

礦渣棉是把高爐爐渣或沖天爐爐渣熔化后用高壓氣體吹成的絮狀材料，礦棉中Al2O3的含量較低(大約3～20％)，保溫性能好，但因高溫時(shí)卷曲收縮大，一般僅用于500～850℃的工作溫度。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

陶瓷棉是用普通陶瓷(或電熔剛玉)制成的絮狀纖維，其中Al2O3含量一般高于40％，耐熱性能好，可在850～1250℃時(shí)使用，但成本較礦棉貴。適用于鋁、鎂合金鑄件的陶瓷棉保溫套。

纖維類保溫材料制作保溫套一般用木質(zhì)纖維素作黏結(jié)劑，制作工藝比較簡(jiǎn)單，但勞動(dòng)條件較差。陶瓷棉具有很好的保溫性能，它的蓄熱系數(shù)約為濕砂型的1/6。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，在Al-4.5％Cu合金板狀鑄件上應(yīng)用陶瓷棉保溫冒口，與使用普通冒口相比，冒口體積比普通冒口小4倍，鑄件實(shí)收率提高了25％。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)(2)空心珠體保溫材料：此類材料常用的有膨脹珍珠巖和粉煤灰空心微珠兩種。膨脹珍珠巖是由含硅土的酸性火成巖礦石經(jīng)粉碎后在880～1100°C焙燒而成。由于礦石中的水分氣化，細(xì)粒礦石經(jīng)膨脹變成空心的珠體，稱作膨脹珍珠巖。

膨脹珍珠巖耐火度較低，一般在850℃以下使用。膨脹珍珠巖保溫性能良好，其蓄熱系數(shù)僅為濕砂型的1/5。其材料來(lái)源較廣，價(jià)格便宜，制作冒口套的成型工藝簡(jiǎn)單(與制造砂芯相仿)。用膨脹珍珠巖制作冒口套時(shí)常用水玻璃作黏結(jié)劑，在鋁、鎂合金鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用會(huì)有明顯的效果。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

粉煤灰空心微珠是由煤灰經(jīng)高溫熔隔后驟冷形成的玻璃質(zhì)球。根據(jù)其容重大小，一般分為兩類：能漂浮于水面的稱漂珠，半浮于水中及沉于水底的稱微珠，通稱空心微珠。

空心微珠是比較理想的保溫材料，顆粒細(xì)小、容重低(自然堆集密度0.34～0.38g／cm3)，熱導(dǎo)率極小(常溫為454J/m·h·℃)，保溫性能良好，是當(dāng)前應(yīng)用較多而且最有前途的保溫材料。

鑄鋼件的生產(chǎn)中也常用蛭石，大孔陶粒作保溫材料來(lái)制作冒口套，保溫效果也很好。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)2.發(fā)熱冒口圖5-31發(fā)熱冒口1-保溫劑2-明冒口3、5-發(fā)熱套4、8-鑄件6-暗冒口7-砂圈第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

發(fā)熱冒口就是用發(fā)熱保溫材料做成一個(gè)發(fā)熱保溫套來(lái)代替冒口周圍的型砂，構(gòu)成型腔內(nèi)表面，澆注后發(fā)熱套激烈發(fā)熱，使冒口內(nèi)合金液溫度提高，凝固時(shí)間延長(zhǎng)，故稱發(fā)熱冒口。

發(fā)熱冒口主要應(yīng)用于鑄鋼件的生產(chǎn)中。它的發(fā)熱材料由發(fā)熱劑、保溫劑和黏結(jié)劑三部分組成。它的尺寸可比一般冒口小2～4倍，工藝實(shí)收率可達(dá)80%，多用于中小型鑄鋼件及有色件。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

發(fā)熱劑多采用鋁粉、硅鐵粉、氧化鐵皮，而用木屑和木炭作保溫劑。在金屬液的熱作用下，當(dāng)發(fā)熱劑的溫度超過(guò)1250℃時(shí)，鋁和硅都可以激烈氧化而放出大量的熱?；瘜W(xué)反應(yīng)生成物的溫度可達(dá)3000℃以上，生成物呈熔融狀態(tài)成渣子浮在合金液面上，金屬液被劇烈加熱，溫度升高，延長(zhǎng)了冒口內(nèi)合金液的凝固時(shí)間，大大地提高補(bǔ)縮效率。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)圖5-34自重壓力冒口與大氣壓力冒口A-真空Hr-暗冒口高度HC-鑄件高度

一般暗冒口結(jié)成外殼后，冒口內(nèi)液面下降而在殼頂?shù)南旅嫘纬烧婵諈^(qū)A（圖5-34a）。這時(shí)往往依靠冒口中金屬液柱的自重壓力來(lái)補(bǔ)縮。因此稱作“自重壓力”冒口。這種冒口不能獲得很致密的鑄件，而且縮孔有侵入鑄件中的危險(xiǎn)圖（5-34b）。3.大氣壓力冒口第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

為了避免這種情況可以在暗冒口頂上插一個(gè)細(xì)的型芯，它應(yīng)伸到冒口最熱的區(qū)域中。當(dāng)殼頂下出現(xiàn)空間時(shí)，外面空氣就可以通過(guò)型芯中細(xì)孔以及砂粒間的空隙進(jìn)入冒口中。這時(shí)冒口除靠自重壓力外還有大氣壓力來(lái)進(jìn)行補(bǔ)縮，因此稱為“大氣壓力冒口”。圖5-34c、d。圖5-34自重壓力冒口與大氣壓力冒口A-真空Hr-暗冒口高度HC-鑄件高度第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

一般側(cè)暗冒口由于有形成“自重壓力”冒口傾向，因此它就不能放在鑄件的下部，否則由于鑄件的金屬液柱高，液態(tài)靜壓力大，有可能造成鑄件來(lái)“補(bǔ)縮”冒口，如圖5-35a所示。圖5-35自重壓力側(cè)暗冒口與大氣壓力側(cè)暗冒口比較第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.6.2易割冒口圖5-36易割冒口示意圖1-鑄件2-隔片3-暗冒口4-澆口第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.7冷鐵及鑄筋

為增加鑄件局部冷卻速度，在型腔內(nèi)部及工作表面安放的激冷物稱作冷鐵。鑄造生產(chǎn)中常將冷鐵、澆注系統(tǒng)和冒口配合使用，控制鑄件的凝固過(guò)程，以獲得合格鑄件。

冷鐵分為內(nèi)冷鐵和外冷鐵兩種。將金屬激冷物插入鑄件型腔中需要激冷的部位，使合金激冷并同鑄件熔為一體，這種金屬激冷物稱為內(nèi)冷鐵，內(nèi)冷鐵主要用于黑色金屬厚大鑄件(如錘座、錘砧等)。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

外冷鐵又分為直接外冷鐵和間接外冷鐵兩類。

直接外冷鐵是指與鑄件的部分內(nèi)外表面接觸而不熔接在一起的金屬激冷物，實(shí)際上它成為鑄型或型芯的部分型腔表面。航空工業(yè)常用的鋁鎂鑄造合金，其大部分結(jié)晶溫度間隔較大，合金密度較小，縮裂、縮松等傾向比較嚴(yán)重，生產(chǎn)中大量使用直接外冷鐵來(lái)排除鑄件的縮松等缺陷。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

間接外冷鐵同被激冷鑄件之間有10～15mm厚的砂層相隔，故又稱隔砂冷鐵、暗冷鐵。間接外冷鐵激冷作用弱，應(yīng)用較少。我們主要研究直接外冷鐵的設(shè)計(jì)。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.7.1冷鐵的作用1.與澆注系統(tǒng)和冒口配合控制鑄件的凝固次序(1)形成凝固次序：圖5-37減速機(jī)匣的冷鐵設(shè)置方案

底部環(huán)形安裝邊厚為16mm，液流從側(cè)部開設(shè)的內(nèi)澆道引入，未放冷鐵時(shí)，底部同時(shí)凝固，產(chǎn)生疏松缺陷。后按順序凝固的原則，在遠(yuǎn)離內(nèi)澆道處放置冷鐵，使鑄件底部的凝固從遠(yuǎn)離澆道處向著內(nèi)澆道方向進(jìn)行，從而得到橫澆道(尺寸較大)的補(bǔ)縮，消除了疏松缺陷。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)(2)改變鑄件的凝固次序，使之順序凝固

這類鑄件兩端常有安裝邊或凸臺(tái)，壁厚較大，而中間部位連接壁較薄。鑄件中間部位最早凝固，下端法蘭次之，上部厚大部位最后凝固。

在下部法蘭的底部設(shè)置尺寸足夠大的冷鐵，借助冷鐵的激冷作用，改變?cè)瓉?lái)的凝固次序，則下部法蘭首先凝固，中部連接壁次之，上部法蘭最后凝固。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)(3)增大凝固過(guò)程的溫度梯度，使凝固次序更加明顯

有較大的結(jié)晶溫度間隔的合金鑄件在凝固時(shí)，凝固區(qū)寬度較大，補(bǔ)縮性能很差。即使有較大的冒口，凝固次序也不明顯，凝固后仍會(huì)出現(xiàn)疏松缺陷。

在鑄件端部放冷鐵，則會(huì)加強(qiáng)鑄件向著冒口方向的凝固次序，增大鑄件凝固時(shí)的溫度梯度，增強(qiáng)冒口的補(bǔ)縮作用。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)(4)加速鑄件局部厚大部位的凝固速度，使之與周圍部分同時(shí)凝固：由于使用上的需要，鑄件上常有局部厚大部位，如凸臺(tái)、法蘭等。在凝固時(shí)這些部位由于壁厚較大，往往比周圍的連接壁凝固得晚，得不到足夠的液體金屬補(bǔ)縮，產(chǎn)生縮孔、疏松或熱裂紋。在這些局部熱節(jié)處放置冷鐵，可使熱節(jié)比臨近的連接壁早凝固，或與周圍的連接壁同時(shí)凝固，以防止在這些熱節(jié)部位產(chǎn)生縮孔或疏松缺陷。圖5-37減速機(jī)匣的冷鐵設(shè)置方案第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)2.加速鑄件的凝固，細(xì)化晶粒組織。提高鑄件的力學(xué)性能

同一種合金，金屬型鑄造出來(lái)的力學(xué)性能比砂型鑄造出來(lái)的高，就是這個(gè)道理。

據(jù)有關(guān)資料介紹，AlSi7Mg合金鑄件試驗(yàn)表明，砂型鑄造使用正確設(shè)計(jì)的冷鐵，拉伸強(qiáng)度提高50％，延伸率提高70％，這證明冷鐵對(duì)提高合金塑性的效果特別顯著。

砂型鑄造時(shí)提高凝固速度的有效辦法是放置冷鐵，尤其是放置冷鐵的板件端部，其凝固速度比不放冷鐵時(shí)快得多。

有關(guān)實(shí)驗(yàn)資料認(rèn)為，使用冷鐵后凝固速度比濕態(tài)砂型提高1.6倍，比干砂型提高1.7倍。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.7.2冷鐵材料

凡是比砂型材料的導(dǎo)熱率、蓄熱系數(shù)大的金屬和非金屬材料均可選用。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)5.7.3冷鐵的設(shè)計(jì)

冷鐵的設(shè)計(jì)是鑄造工藝設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，它對(duì)獲得合格、優(yōu)質(zhì)鑄件起著很大的作用。設(shè)計(jì)冷鐵的主要內(nèi)容是確定冷鐵放置的位置，冷鐵的形狀和尺寸。1.冷鐵安放位置的確定

冷鐵能否充分發(fā)揮作用，關(guān)鍵在于安放的位置是否合理。確定冷鐵在鑄型中的位置，主要取決于要求冷鐵所起的作用以及鑄件的結(jié)構(gòu)、形狀，同時(shí)還需要考慮冒口和澆注系統(tǒng)的位置。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)2.冷鐵形狀的確定

冷鐵的形狀取決于使用冷鐵部位鑄件的形狀和冷鐵所應(yīng)起的作用。常用冷鐵分為成型冷鐵和平面冷鐵兩類，其形狀如圖5-42所示。

在鑄件理論型面及轉(zhuǎn)角處一般使用成型冷鐵，冷鐵的形狀應(yīng)與放置冷鐵的鑄件形狀相符合。圖5-42冷鐵的形狀第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(xué)

在鑄件底部、端部和平面部分，常放置平面冷鐵。實(shí)際生產(chǎn)中常使用長(zhǎng)方形、圓形、方形的冷鐵。其厚度一般為10、12、15、20