鑄造工藝學 第2版 課件 余歡 第5、6章 冒口及冷鐵、鑄造工藝設計

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

鑄件凝固時的收縮對鑄件質(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得不到適當?shù)难a償，由于收縮將會產(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置冒口和冷鐵的工藝措施，從而有效地控制鑄件的凝固過程，補充鑄件的收縮，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

逐層凝固方式的合金易產(chǎn)生集中縮孔，只要冒口有適當?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，對冒口所產(chǎn)生的溫度梯度更敏感。較大的冒口會在冒口附近區(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

因此，對于糊狀凝固方式的寬結(jié)晶溫度范圍的合金，應當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5.2冒口的作用、種類及對它的要求

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

即將冒口設置在鑄件最后凝固的部位，由冒口中的合金液補償其體收縮，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2）調(diào)整鑄件凝固時的溫度分布，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

現(xiàn)在普遍采用以下工藝措施來提高和保持冒口內(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輔助澆道充填冒口

這對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5.2.2對冒口設計的要求冒口設計應遵循的基本原則如下：1）冒口的凝固時間應大于或等于熱節(jié)處（被補縮部位）的凝固時間。2）冒口應有足夠大的體積，以保證有足夠的金屬液補充鑄件的液態(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圖5-2冒口示意圖第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學3）在鑄件整個凝固的過程中，需有一定的補縮壓力及補縮通道。對于結(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、工藝補貼等配合使用，使鑄件在較大的溫度梯度下，自遠離冒口的末端區(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，應使冒口體積最小，結(jié)構簡單，清理方便。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學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5.3冒口位置的選擇5.3.1冒口的補縮原理

1.冒口與鑄件間的補縮通道

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

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

在向著冒口張開的擴張角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，形成補縮通道，使冒口中的金屬液在重力作用下能暢通無阻地補充到鑄件凝固區(qū)域中去?？梢?，冒口的補縮效果不僅取決于冒口大小和凝固時間，還取決于鑄件凝固時的補縮通道是否暢通。圖5-5鑄件的凝固過程第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學2.冒口的有效補縮距離（1）冒口有效補縮距離的概念

圖5-6表示一個板狀鑄件的凝固過程。很明顯，在遠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，補縮通道擴張角φ1比較大，凝固時易于補縮，末端區(qū)l3是致密的無縮孔、無縮松區(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)鑄件凝固三個區(qū)域第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

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，補縮通道擴張角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)鑄件凝固三個區(qū)域第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

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)鑄件凝固三個區(qū)域圖5-7冒口有效補縮距離示意圖第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

如果l3與l1之間存在一個l2的中間區(qū)域時，冒口的熱作用和末端的激冷作用都達不到，凝固前沿互相平行，補縮通道擴張角很小，到凝固后期，由于枝晶的生長，阻礙了補縮通道，這里就會產(chǎn)生軸線縮松（圖5-7右半部分）。圖5-7冒口有效補縮距離示意圖L-有效補縮距離；l1-冒口補縮區(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

由此可見，一個冒口只能在鑄件壁的某一段范圍內(nèi)有補縮效果，這個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縮距離。用L表示，即L＝l1+l3。如果鑄件需要被補縮部分的長度超過這個距離，就會產(chǎn)生縮孔或縮松。反之，被補縮部分是致密的。

冒口補縮距離是指長度方向而言，實際上不僅包括長度方向，也包括周圍各方向。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

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

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

冒口的有效補縮距離與合金種類、鑄件結(jié)構、幾何形狀以及鑄件凝固方向上的溫度梯度有關，也和凝固時析出氣體的反壓力及冒口的補縮壓力有關。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學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，冒口的有效補縮距離也有很大的不同。獲得致密鑄件對最小溫度梯度要求也不同。

①鑄鋼件冒口的有效補縮距離：

對于普通碳鋼，只要保證溫度梯度大于0.5℃/cm，就可使補縮通道暢通，獲得致密鑄件。碳鋼鑄件的冒口有效補縮距離如圖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％的碳鑄鋼件的試驗取得的。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學圖5-8板件及桿件鑄鋼冒口的補縮距離板形件

b)桿形件

1-冒口

2-鑄件第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學圖5-9冒口區(qū)、末端區(qū)與壁厚的關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②有色合金的冒口有效補縮距離

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縮距離。有關資料認為，在端部未放冷鐵時，冒口的補縮距離為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，冒口的補縮效果很差，冒口的有效補縮距離很小。對這類鋁合金常取冒口補縮距離為2T。

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

對鎂合金，幾乎難以確定其補縮距離，因為不論板件長度如何，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，來消除鑄件整個斷面上分散的縮松缺陷。

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學③鑄鐵件冒口的有效補縮距離：

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

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

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學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，加強鑄件的順序凝固，從而增加冒口的有效補縮距離。圖5-11冷鐵對冒口有效補縮距離的影響第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

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

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

鑄件凝固過程中會析出氣體，析出氣體的反壓力會增加液流補縮的阻力，減小冒口的有效補縮距離。

而增大冒口的補縮壓力，其有效補縮距離會增加。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縮壓力的措施，都會提高冒口的有效補縮距離。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學6）鑄件的技術要求

如氣密性。根據(jù)要求的高低，也可適當調(diào)整冒口的個數(shù)。如果要求高，冒口的有效補縮距離可取短些，個數(shù)可選多些。如果要求不高，冒口的有效補縮距離可選長些，這樣冒口的個數(shù)就會少些。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學3.工藝補貼

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

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

對垂直補貼的板狀鋼鑄件，其補貼厚度與鑄件厚度、高度之間的關系曲線見圖5-13。

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

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

冒口位置選擇得是否恰當，對于能否獲得優(yōu)質(zhì)鑄件有著重大影響。如果選擇不當，將會造成不良影響，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1.確定冒口位置的程序1）綜合考慮鑄件的結(jié)構特點、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)構復雜時，可把鑄件劃分成若干個簡單的形狀，并對所劃分的每個部分提供一個適當?shù)拿翱?。對于那些壁厚均勻的鑄件，則需根據(jù)冒口的有效補縮距離來確定冒口的位置和個數(shù)。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學2.選擇冒口位置的原則1）冒口應盡量放在鑄件被補縮部位或最后凝固的熱節(jié)的上方或側(cè)旁。2）冒口應盡量放在鑄件最高最厚的地方，以便利于金屬液進行重力補縮。圖5-14應用冷鐵使冒口分區(qū)補縮1-明冒口2-暗冒口3-冷鐵第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學3）如果在鑄件的不同高度上有熱節(jié)需要補縮時，可按不同水平面安放冒口，但不同高度上，冒口的補縮壓力是不平衡的。有可能導致上面冒口補縮下面冒口，應采取措施將其隔離，一般采用冷鐵(圖5-14、5-15）。圖5-14應用冷鐵使冒口分區(qū)補縮1-明冒口2-暗冒口3-冷鐵第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學5）盡量使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)，見圖5-16。圖5-16一個冒口補縮兩個熱節(jié)1-冷鐵2-鑄件3-暗冒口4）冒口應盡可能不阻礙鑄件的收縮，冒口不應放在鑄件應力集中處，以免引起裂紋。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學6）為了使冒口最后凝固，加強順序凝固。盡可能使內(nèi)澆道靠近冒口或通過冒口。使金屬液通過冒口進入型腔(如圖5-17所示)。這樣流入型腔的金屬液對冒口有預熱作用，同時在充填過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7）冒口最好布置在鑄件需要機械加工的表面上，以減少精整鑄件的工時。圖5-18是冒口位置不便于切割的實例。如將該鑄件倒過來放，把冒口移到鑄件的上部和外側(cè)，這樣既解決了補縮問題，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5.4冒口尺寸的計算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。

比例法是從長期生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的，每個工廠都有適合于本廠的dy與dM的比例關系。我們在這里只對這種方法加以介紹，具體數(shù)據(jù)僅供參考。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學1.確定補縮方式

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

當冒口沿鑄件的垂直方向向下補縮時，其補縮效果較好，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圖5-19頂冒口的兩種補縮方式第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(2)水平補縮方式

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

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

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

由于側(cè)冒口的補縮效果較差，所以選取的比例系數(shù)應比頂冒口的大(圖5-20)。根據(jù)生產(chǎn)中的經(jīng)驗，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)如果金屬液通過側(cè)冒口流入型腔時，冒口尺寸可適當縮小。

圖5-20側(cè)冒口尺寸的確定

側(cè)冒口與鑄件之間應保持一定的距離，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第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

應用時應注意：

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，當熱節(jié)圓直徑d小時，此值取上限；當d值大時，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?shù)谋壤荡_定冒口高度H。冒口高度H愈大，冒口中金屬液的補縮壓力愈大，有利于補縮。但是，由于工藝操作等因素，H也不能選擇過大。當D值小時，比例系數(shù)取上限，D值大時，比例系數(shù)取下限。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

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

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學（5）確定冒口其它尺寸

在確定了冒口主要尺寸dM和HM之后，還應設計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

①當算出的冒口直徑小于或等于該處的水平尺寸時(或?qū)ρa縮作用要求不高時)。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(或需要較強補縮作用時)，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

③如果冒口直徑超出鑄件水平尺寸很多，而鑄件又需要很強的補縮作用時，冒口根部的斜度可增至45°，或?qū)⒚翱诟吭O計成球形(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很小的“縮頸”，使冒口根部留有較明顯的切割位置標記，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2)冒口根本的縮頸

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

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貼工藝余量，計算冒口時，應將其看成鑄件的一部分。

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

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

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

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

根據(jù)對冒口設計四條要求，人們推導和總結(jié)了各式各樣的冒口計算公式。其中尤以“冒口方程式”介紹最多，Chvorinov從冒口應比鑄件凝固得晚以及冒口應有足夠的金屬液補償鑄件凝固時的收縮這兩條原則出發(fā)，經(jīng)過數(shù)學推導，得出了如下通用的冒口方程式：

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但是，在實際當中，不可能滿足這三個條件，它們對凝固都有影響。這樣，就要引起對這個公式的修正。①考慮到形狀、結(jié)構對凝固的影響，乘上一個形狀修正系數(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、導熱及補縮情況不同，所以考慮μ△t③不同的澆注溫度，其凝固時間是不同的。這樣冒口的體積也將不同。故須考慮過熱影響μh④鑄件與鑄型之間的間隙，對凝固時間也有較大影響，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

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

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第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學5.4.3模數(shù)法

在鑄鋼件冒口設計中，模數(shù)法得到了廣泛應用，隨著鑄造工藝計算機輔助設計的發(fā)展，模數(shù)法被認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，冒口凝固時間應大于或至少等于鑄件被補縮部位的凝固時間。在冒口計算中引入模數(shù)概念后，只要滿足Mr≥Mc時冒口就能比鑄件晚凝固。

根據(jù)實驗，對于鋼鑄件來說，只要滿足下列比例即能實現(xiàn)補縮。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學頂明冒口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)澆道通過冒口澆注時：Mc：Mn：Mr=1：(1～1.03)：1.2(5-22)

冒口頸長度L=2.4Mc=2Mr

（5-23）式中：Mc-鑄件被補縮處的模數(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

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

計算冒口時，通常根據(jù)第一個基本條件即公式(5-20)、(5-21)或(5-22)、（5-23）確定冒口尺寸，用第二個基本條件校核冒口的補縮能力，即檢查是否有足夠的合金液補償鑄件的收縮。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設計步驟：1)把鑄件劃分為幾個補縮區(qū)，計算各區(qū)的鑄件模數(shù)M，。2)計算冒口及頸的模數(shù)。3)確定冒口形狀和尺寸(應盡量采用標準系列的冒口尺寸)。4)檢查順序凝固條件，如補縮距離是否足夠，補縮通道是否暢通5)校核冒口補縮能力。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學5.4.6評定冒口補縮作用的方法

冒口尺寸確定得是否可靠、合理，冒口是否發(fā)揮了有效補縮作用、應通過生產(chǎn)實踐的檢驗，其檢驗或評定的方法除上述的比較鑄件實收率外，還有以下幾種方法：1.實際檢驗鑄件質(zhì)量：

按照有關標準和驗收技術文件規(guī)定的項目來檢驗鑄件質(zhì)量，如通過X光透視檢查鑄件是否有與冒口設計有關的縮孔和縮松缺陷。此種方法對結(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2.檢驗冒口的縮孔深度：

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

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離根部、即比安全高度ha大很多時，則說明冒口尺寸過大。為了提高鑄件實收率，應適當縮小冒口尺寸(一般減小冒口高度)。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

如果縮孔離冒口根部的距離小于ha，甚至侵入鑄件，則說明冒口尺寸過小，應適當增大(一般增大冒口直徑或?qū)挾?，以保證鑄件質(zhì)量，這種方法對結(jié)晶溫度范圍較窄的合金比較實用。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學3.測定冒口凝固時間變化率：

評定寬結(jié)晶溫度范圍合金鑄件的冒口有效補縮作用的最簡單易行的方法是測定冒口的凝固時間變化率。

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(1)測定方法：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)，用一臺普通的記錄儀直接畫出冒口凝固時間的溫度-時間曲線，則冒口的凝固時間就可從記錄紙上量取。(2)條件：冒口在單獨和與鑄件組合澆注時，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(3)判別：

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

當τs<τb時，F(xiàn)r<0，說明冒口尺寸過小，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5.5.1鑄鐵的體收縮特點：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程。5.5鑄鐵件實用冒口第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學5.5.1鑄鐵的體收縮特點：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鑄鐵件實用冒口第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學影響因素：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。

對小模數(shù)的薄壁件，如Mc<2.5cm，就應安放冒口補縮。對大模數(shù)鑄件，MC≥2.5cm，凝固時間長、降溫慢，對補縮要求低，甚至可用無冒口工藝。3.化學成分的影響

碳硅比(ωc／ωsi)=1.18時，球鐵的體收縮具有最小值。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學5.5.2實用冒口設計法

實用冒口設計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，實現(xiàn)自補縮，更有利于克服縮松缺陷。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學1.直接實用冒口(包括澆注系統(tǒng)當冒口)安放冒口的目的是為了補給鑄件的液態(tài)收縮（一次）收縮，當液態(tài)收縮終止或體積膨脹開始時，讓冒口頸及時凝固，在剛性好的高強度鑄型內(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，適宜采用直接實用冒口。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

對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，灰鑄鐵件模數(shù)小于0.75mm時，適宜采用澆注系統(tǒng)當直接實用冒口。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學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”。從而達到既無縮孔、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3.無冒口補縮法的應用條件

無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，因而無需冒口。一般應保證：1)要求鐵液的冶金質(zhì)量好。2)球鐵件的平均模數(shù)應在2.5cm以上。當鐵液冶金質(zhì)量非常好時，模數(shù)比2.5cm小的鑄件也能成功地應用無冒口工藝。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學3)使用強度高、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。每個內(nèi)澆道的斷面積不超過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5.5.3鑄鐵件的均衡凝固技術1．均衡凝固(proportionalsolidification)的定義

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

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

均衡凝固技術既強調(diào)用冒口進行補縮，又強調(diào)利用石墨化膨脹的自補縮作用。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學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，不僅與化學成分、澆注溫度有關，還和鑄件大小、結(jié)構、壁厚、鑄型種類、澆注工藝方案有關。2)越是薄小件越要強調(diào)補縮。厚大件補縮要求低。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)。應充分利用石墨化膨脹的自補縮條件。4)冒口不應放在鑄件熱節(jié)點上。要靠近熱節(jié)以利于補縮；又要離開熱節(jié)，以減少冒口對鑄件的熱干擾。這是均衡凝固的技術關鍵之一。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學5)開設澆冒口時，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(見圖5-30)等冒口頸短、薄、寬的形式。7)鑄件的厚壁熱節(jié)應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，增強自補縮作用。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縮利用程度。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學5.6特種冒口5.6.1提高冒口補縮效率的方法

提高冒口補縮效率的方法還是應該沿兩條思路去考慮：一是補給足夠的金屬液；二是強化補縮效果。

補給足夠的金屬液包括①保證一定的金屬壓頭，②補充鑄件的收縮，③關鍵是延長冒口的凝固時間，有了第③點，前面①②兩個方面都能得到保證。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

強化補縮效果，需確保補縮通道暢通，要求盡快補縮。

因為鑄件凝固時間不可能太長！

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

延長冒口凝固時間可采用保溫冒口、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。這些都可大大延長冒口的凝固時間，從而提高冒口的補縮效率，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問題。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學圖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-用于補縮鑄件的金屬第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

保溫冒口的金屬利用率與其材料的保溫性能有關。保溫性能越好，冒口凝固時間越長，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

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，制作工藝比較簡單，但勞動條件較差。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)有關資料報道，在Al-4.5％Cu合金板狀鑄件上應用陶瓷棉保溫冒口，與使用普通冒口相比，冒口體積比普通冒口小4倍，鑄件實收率提高了25％。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(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。其材料來源較廣，價格便宜，制作冒口套的成型工藝簡單(與制造砂芯相仿)。用膨脹珍珠巖制作冒口套時常用水玻璃作黏結(jié)劑，在鋁、鎂合金鑄造生產(chǎn)中應用會有明顯的效果。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

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，顆粒細小、容重低(自然堆集密度0.34～0.38g／cm3)，熱導率極小(常溫為454J/m·h·℃)，保溫性能良好，是當前應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

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學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

發(fā)熱冒口就是用發(fā)熱保溫材料做成一個發(fā)熱保溫套來代替冒口周圍的型砂，構成型腔內(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，凝固時間延長，故稱發(fā)熱冒口。

發(fā)熱冒口主要應用于鑄鋼件的生產(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，工藝實收率可達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

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，當發(fā)熱劑的溫度超過1250℃時，鋁和硅都可以激烈氧化而放出大量的熱?；瘜W反應生成物的溫度可達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，延長了冒口內(nèi)合金液的凝固時間，大大地提高補縮效率。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學圖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）。這時往往依靠冒口中金屬液柱的自重壓力來補縮。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圖（5-34b）。3.大氣壓力冒口第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

為了避免這種情況可以在暗冒口頂上插一個細的型芯，它應伸到冒口最熱的區(qū)域中。當殼頂下出現(xiàn)空間時，外面空氣就可以通過型芯中細孔以及砂粒間的空隙進入冒口中。這時冒口除靠自重壓力外還有大氣壓力來進行補縮，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

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“補縮”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

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、縮松等傾向比較嚴重，生產(chǎn)中大量使用直接外冷鐵來排除鑄件的縮松等缺陷。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

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，應用較少。我們主要研究直接外冷鐵的設計。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學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減速機匣的冷鐵設置方案

底部環(huán)形安裝邊厚為16mm，液流從側(cè)部開設的內(nèi)澆道引入，未放冷鐵時，底部同時凝固，產(chǎn)生疏松缺陷。后按順序凝固的原則，在遠離內(nèi)澆道處放置冷鐵，使鑄件底部的凝固從遠離澆道處向著內(nèi)澆道方向進行，從而得到橫澆道(尺寸較大)的補縮，消除了疏松缺陷。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(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，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置尺寸足夠大的冷鐵，借助冷鐵的激冷作用，改變原來的凝固次序，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(3)增大凝固過程的溫度梯度，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，凝固區(qū)寬度較大，補縮性能很差。即使有較大的冒口，凝固次序也不明顯，凝固后仍會出現(xiàn)疏松缺陷。

在鑄件端部放冷鐵，則會加強鑄件向著冒口方向的凝固次序，增大鑄件凝固時的溫度梯度，增強冒口的補縮作用。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(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凝固：由于使用上的需要，鑄件上常有局部厚大部位，如凸臺、法蘭等。在凝固時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減速機匣的冷鐵設置方案第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學2.加速鑄件的凝固，細化晶粒組織。提高鑄件的力學性能

同一種合金，金屬型鑄造出來的力學性能比砂型鑄造出來的高，就是這個道理。

據(jù)有關資料介紹，AlSi7Mg合金鑄件試驗表明，砂型鑄造使用正確設計的冷鐵，拉伸強度提高50％，延伸率提高70％，這證明冷鐵對提高合金塑性的效果特別顯著。

砂型鑄造時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快得多。

有關實驗資料認為，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5.7.2冷鐵材料

凡是比砂型材料的導熱率、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5.7.3冷鐵的設計

冷鐵的設計是鑄造工藝設計的一個重要組成部分，它對獲得合格、優(yōu)質(zhì)鑄件起著很大的作用。設計冷鐵的主要內(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、形狀，同時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

在鑄件底部、端部和平面部分，常放置平面冷鐵。實際生產(chǎn)中常使用長方形、圓形、方形的冷鐵。其厚度一般為10、12、15、20、30mm。圖5-42冷鐵的形狀第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學3.冷鐵尺寸的確定(1)冷鐵的厚度：確定冷鐵的尺寸主要是確定冷鐵的厚度。目前生產(chǎn)中是根據(jù)冷鐵的作用和冷鐵處鑄件熱節(jié)的大小來確定冷鐵的厚度。

也常制出一批長、寬尺寸不同、直徑不同的標準冷鐵供生產(chǎn)中選用。這樣有利于管理、有利于縮短試制和生產(chǎn)周期。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

為了實現(xiàn)和加強鑄件的順序凝固以提高冒口的補縮效率而設置的冷鐵，特別是冷鐵置于鑄件底部或末端時，冷鐵的厚度可選大一些：

對鋁鎂合金鑄件，采用鑄鐵冷鐵時，冷鐵厚度一般為鑄件厚度的1~1.2倍，

采用鋁冷鐵時，冷鐵厚度為鑄件厚度的1.2～1.5倍。

冷鐵的激冷效應隨冷鐵厚度的增加而增加，但到一定厚度后，就不再增加了，因而不能無限制地增大冷鐵厚度。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(2)冷鐵的工作表面積：冷鐵有一定的激冷面積，對鑄件的大平面，尤其是鑄鋼件大平面不宜放置壁厚不變的大塊冷鐵。在大型鑄鋼件的厚壁平面上常散布若干小塊冷鐵來組成冷鐵組，這樣常要計算一個冷鐵能激冷多大面積，即要計算冷鐵的工作表面積。

設在鑄件底面和內(nèi)側(cè)面的外冷鐵，在重力和鑄件收縮力作用下同鑄件表面緊密接觸，稱為無氣隙外冷鐵；

設在鑄件頂部和外側(cè)的冷鐵屬于有氣隙外冷鐵。

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

對于鑄鋼件，無氣隙外冷鐵的激冷效果，相當于在原有砂型的散熱表面上，凈增了兩倍的冷鐵工作表面積(As=A0+2Ac1)；有氣隙外冷鐵的效果，相當于在原有的砂型散熱面積上凈增了一倍的冷鐵工作表面積(As=A0+Ac2)。應用了外冷鐵使鑄件凝固時間縮短，相當于使鑄件模數(shù)由M0減小為M1，由此可導出外冷鐵工作表面積Ac。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

鑄造設計人員可依工藝需要確定M1的大小，然后利用式5-44、5-45計算出外冷鐵的工作表面積。

當實現(xiàn)同時凝固時，M1等于熱節(jié)四周薄壁部分的模數(shù)；實現(xiàn)順序凝固時，M1=（0.83~0.91）MP，MP是熱節(jié)旁補縮壁的模數(shù)。經(jīng)驗證明，只有滿足MP≥0.67M0的條件下，才能用外冷鐵消除熱節(jié)的影響。

第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學(3)轉(zhuǎn)角處冷鐵的尺寸：為了防止鑄件轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生熱裂或縮松而安置的冷鐵，對冷鐵尺寸要求不是很嚴格，但冷鐵形狀應與鑄件圓角貼切，防止形成尖的砂棱角，以避免合箱時掉砂，如圖5-44所示。圖5-44防止冷鐵邊緣形成尖砂的示例(a)不正確

(b)正確1-鑄型2-冷鐵第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學L形連接壁的熱節(jié)圓直徑(dy)隨著內(nèi)圓半徑的增大而增大，為消除該處的內(nèi)部縮松，設計冷鐵時應保證熱節(jié)與補縮通道相連。

此時，對冷鐵尺寸的要求較高(如圖5-45a所示)，由于冷鐵弧面過大，使熱節(jié)兩端較早凝固，堵塞了補縮通道，使熱節(jié)最后凝固而產(chǎn)生縮松。圖5-45L形和T形接頭熱節(jié)處冷鐵的設置情況第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

此時，只采用底部平面冷鐵還不足以完全消除縮松，必項在兩內(nèi)圓角處設置成型冷鐵，冷鐵的弧長一般制控在內(nèi)圓角弧長的1/3~1/2范圍內(nèi)（圖中d所示）。圖5-45L形和T形接頭熱節(jié)處冷鐵的設置情況第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學各種冷鐵的尺寸一般不宜過大，長度尺寸不大于200mm。冷鐵尺寸過大，反復使用后會出現(xiàn)變形，既降低冷鐵的激冷作用，又影響鑄件尺寸精度。較長或面積較大的冷鐵，應分塊使用，冷鐵與冷鐵之間應留有間隙。冷鐵之間的間隙一般為3～5mm，間隙過小，造型時間隙中的型砂不易緊實，合箱時易掉砂，并易鉆入金屬液，形成披縫，阻礙鑄件的收縮造成熱裂缺陷。間隙過大，在間隙處形成熱節(jié)，出現(xiàn)縮松和縮裂缺陷。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

冷鐵的形狀，除了應符合鑄件激冷處的型面以外，還應將其厚度逐步向邊緣處減薄(如圖5-46b所示)，使激冷作用緩和過渡，否則，在冷鐵邊緣處的鑄件上很容易產(chǎn)生熱裂(圖中a所示，鎂合金鑄件對此尤為敏感)。這種細微裂紋，有時肉眼不易發(fā)現(xiàn)。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學5.7.4鑄筋

防止鑄件產(chǎn)生熱裂紋和變形最常用的工藝措施是應用鑄筋，有時與冷鐵配合。鑄筋分為二類，一類稱割筋（收縮筋），用于防止產(chǎn)生熱裂。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學另一類叫拉筋，又稱為加強筋，防止變形。第五章冒口及冷鐵鑄造工藝學

割筋要在清理時去除，只有在不影響鑄件使用并得到用戶同意的條件下才允許保留在鑄件上。而拉筋必須在消除內(nèi)應力的熱處理之后才能去除。本章結(jié)束第6章

鑄造工藝設計鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計6.1概述一個鑄件的生產(chǎn)工序很長，在整個工藝過程中，只有進行科學規(guī)范的操作和管理，才能有效地控制鑄件的成形，達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的。而要達到這一切，就離不開各種指導生產(chǎn)的工藝技術文件。因此，在鑄件進行生產(chǎn)之前，一定要編制出一套鑄件工藝過程的技術文件，這一過程叫做鑄造工藝設計。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計6.1.1設計依據(jù)1.生產(chǎn)任務(1)鑄造零件圖樣。提供的圖樣必須清晰無誤，有完整的尺寸和各種標記。設計者應仔細審查圖樣。注意零件的結(jié)構是否符合鑄造工藝性，若認為有必要修改圖樣時，需與原設計單位或訂貨單位共同研究，取得一致意見后以修改后的圖樣作為設計依據(jù)。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計(2)零件的技術要求。金屬材質(zhì)牌號、金相組織、力學性能要求、鑄件尺寸及重量公差及其他特殊性能要求，如是否經(jīng)水壓、氣壓試驗，零件在機器上的工作條件等。在鑄造工藝設計時應注意滿足這些要求。(3)產(chǎn)品數(shù)量及生產(chǎn)期限。產(chǎn)品數(shù)量是指批量大小。生產(chǎn)期限是指交貨日期的長短。對于批量大的產(chǎn)品，應盡可能采用先進技術。對于應急的單件產(chǎn)品，則應考慮使工藝裝備盡可能簡單，以便縮短生產(chǎn)周期，并獲得較大的經(jīng)濟效益。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計2.生產(chǎn)條件(1)設備能力包括起重運輸機的噸位和最大起重高度、熔爐的形式、噸位和生產(chǎn)率、造型和制芯機種類、機械化程度、烘干爐和熱處理爐的能力、地坑尺寸、廠房高度和大門尺寸等。(2)車間原材料的應用情況和供應情況。(3)工人技術水平和生產(chǎn)經(jīng)驗。(4)模具等工藝裝備制造車間的加工能力和生產(chǎn)經(jīng)驗。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計3.經(jīng)濟性

對各種原材料、爐料等的價格、每噸金屬液的成本、各級工種工時費用、設備每小時費用等，都應有所了解，以便考核該項工藝的經(jīng)濟性。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計6.1.2鑄造工藝設計的內(nèi)容與程序較完整的鑄造工藝設計，一般應包括下列內(nèi)容：1)對產(chǎn)品零件圖進行鑄造工藝性分析；2)鑄造方法的選擇；3)鑄件澆注位置和鑄型分型面的選擇；4)鑄件機械加工初基準與劃線基準的選擇；5)鑄造工藝設計的主要參數(shù)的確定；6)砂芯的設計；鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計6.1.2鑄造工藝設計的內(nèi)容與程序7)澆注系統(tǒng)與冒口和冷鐵的設計；8)鑄造工藝裝備的設計(主要包括：模板、芯盒、墊板、烘芯板和檢測工具等的設計；9)編制鑄造工藝規(guī)程和工藝卡(更具體地規(guī)定有關工藝程序的操作過程及其注意事項)。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計6.1.3鑄件的試制工作

鑄件的試制，一般應包括幾何尺寸的試制和冶金質(zhì)量的試制兩個方面。1.鑄件幾何尺寸的試制

航空鑄件一般具有壁薄、形狀和結(jié)構復雜的特點。經(jīng)常采用大量的固定凸緣、縱橫分布的油路、中空夾層通道、具有氣動理論型面以及大型骨架等復雜結(jié)構。鑄造生產(chǎn)這些零件時，必須采用大量型芯和多層組合砂型，工藝復雜，容易造成鑄件尺寸超差。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計6.1.3鑄件的試制工作

在生產(chǎn)中，由于模具尺寸的偏差可能造成鑄件大量報廢。為了保證成批生產(chǎn)的鑄件尺寸精度能符合圖紙的要求，必須通過鑄件試制這一重要環(huán)節(jié)。試制前，首先要仔細驗收模具，然后進行試制，鑒定鑄件尺寸。

一般都采用在鑄件表面或剖面上直接劃線的方法，檢查鑄件的幾何尺寸和機械加工余量等。必要時，返修模具或改變工藝，再試澆。

通過試加工，檢查鑄件的機械加工基準和加工余量是否符合加工要求。如此反復，直至符合圖紙的要求為止。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計2.鑄件冶金質(zhì)量的試制

為了保證成批生產(chǎn)的鑄件其內(nèi)部冶金質(zhì)量能符合通用或?qū)Ｓ眉夹g文件規(guī)定的標準，也必須通過試制，對鑄件的冶金質(zhì)量進行全面檢查。檢查項目主要根據(jù)鑄件技術要求與具體生產(chǎn)條件而定，一般包括：化學成分、力學性能(常溫的與高溫的)、低倍或高倍組織、氣密性試驗、x光、熒光和超聲波檢查等。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計

產(chǎn)品零件的鑄造工藝性分析，一般可分為兩方面：

①零件主要技術要求的鑄造工藝性分析；

②零件結(jié)構的工藝性分析。6.2產(chǎn)品零件的鑄造工藝性分析鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計6.2.1零件技術要求的鑄造工藝性分析

產(chǎn)品設計員根據(jù)產(chǎn)品的用途及其工作條件，對鑄件所提出的各項技術要求，在一般情況下鑄造工藝人員必須盡力設法予以滿足。對于那些超出技術標準、目前又受生產(chǎn)技術條件的限制確實難以達到的特殊要求，應與設計部門共同協(xié)商，或更改技術要求或委托外廠協(xié)作生產(chǎn)。

鋁、鎂合金鑄件的主要技術要求和工藝性分析需要考慮的主要問題大致為三個方面：鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計1.鑄件的化學成分和力學性能鑄造鋁合金的化學成分和力學性能：GB/T1173-2013或HB962-2001驗收方法應按鋁合金鑄件技術標準：GB/T9438-2013或HB963-2005鑄造鎂合金的化學成分和力學性能：GB/T1177-1991或HB7780-2005驗收方法應按鎂合金鑄件技術標準：GB/T13820-1992或HB7780-2005。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計進行工藝性分析時，應注意如下幾個問題：

1)應盡量減少生產(chǎn)用的合金種類，以便于生產(chǎn)技術管理和降低成本。如需改變鑄件的合金牌號，必須取得設計部門的同意；凡是采用在本車間未經(jīng)生產(chǎn)定型的新合金，必須經(jīng)過生產(chǎn)試制，才能投入正式生產(chǎn)。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計2)根據(jù)圖紙和其它技術文件，仔細了解該零件在化學成分和力學性能上是否有其它特殊要求，研究為實現(xiàn)這些特殊要求在工藝上應采取的措施。3)對所選用的鑄造合金，尤其是新牌號的合金，進行物理、化學及鑄造工藝性能的初步分析，如合金的熔點、氧化傾向、體收縮率、線收縮率和流動性(螺旋形)試樣的數(shù)值；形成氣孔、縮孔、縮松、熱裂和偏析等的傾向。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計2.鑄件的尺寸精度和表面粗糙度(1)鑄件的尺寸精度

我國鑄件尺寸公差標準等效采用ISO8062—1984(E)《鑄件尺寸公差制》。該標準適用于砂型鑄造、金屬型鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造、熔模鑄造等鑄造方法生產(chǎn)的各種鑄造金屬及合金的鑄件，是設計和檢驗鑄件尺寸公差的通用依據(jù)。所規(guī)定的公差是指正常生產(chǎn)情況下通常所能達到的公差，分16級，命名為CT1到CT16(CT是鑄件公差的英文CastingTolerance的縮寫)。

鑄件公差總表詳見國家標準GB/T6414-2017或HB6103-2004)。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計表6-1為成批生產(chǎn)的鑄件尺寸公差等級。注意：GB/T6414-2017更新為鑄件尺寸公差、幾何公差和機械加工余量第6章鑄造工藝設計在由表查找具體公差尺寸時，毛坯鑄件基本尺寸是指機械加工之前毛坯鑄件的圖紙尺寸，因此包括了機械加工余量和拔模斜度。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計(2)鑄件的表面粗糙度

鑄件表面粗糙度與鑄造方法有密切關系，各種方法所能獲得的表面粗糙度見表6-2，表面缺陷對表面粗糙度有較大影響，一般會使粗糙度提高。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計3.鑄件表面和內(nèi)部的冶金質(zhì)量

鑄件表面和內(nèi)部的冶金質(zhì)量要求也是鑄造工藝設計的主要依據(jù)之一。如無特殊要求：一般鋁合金按GB/T9438-2013或HB963-2005，鎂合金按GB/T13820-2018或HB7780-2005進行驗收。如有特殊要求則需要仔細分析研究，看是否能達到。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計6.2.2鑄件結(jié)構工藝性分析

鑄件結(jié)構是否合理，不僅直接影響到鑄件的力學性能、尺寸精度、重量要求和其它使用性能，并對鑄造生產(chǎn)過程也有很大的影響。

工藝性良好的鑄件結(jié)構，鑄件的使用性能容易得到保證，生產(chǎn)工藝過程及其所用的工藝裝備簡單，生產(chǎn)成本低。

鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計1.鑄件的壁厚

在現(xiàn)代航空工業(yè)中，要求飛機的速度大、航程遠和飛行高度高，為了滿足這些要求，總希望鑄件的壁厚盡可能薄，重量越輕越好。但是，鑄件的最小壁厚往往受到鑄造工藝的限制。

合金材料的鑄造性能、鑄件尺寸大小和鑄造工藝是決定鑄件最小壁厚的主要因素。

在一定的工藝條件下，各種合金所能鑄出的最小壁厚都有一定的范圍。如果鑄件的壁厚過小，可能使鑄件產(chǎn)生冷隔和澆不足等缺陷。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計(1)鑄件最小壁厚

在砂型鑄造中，各種合金鑄件的最小壁厚可參考表6-3~表6-7。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計（2）鑄件的臨界壁厚

在進行鑄件結(jié)構設計時，單純用增加壁厚的方法來提高鑄件的強度是不科學的。因為，厚壁鑄件容易產(chǎn)生縮孔、疏松及結(jié)晶組織粗大等缺陷，致使鑄件的力學性能下降。因此，各種鑄造合金都存在著一個臨界壁厚。

在最小壁厚和臨界壁厚之間的壁厚，才是適宜的壁厚。

鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計

據(jù)資料推薦，各種鑄造合金砂型鑄件的臨界壁厚可按其最小壁厚的3倍來計算，也可參照表6-8所列數(shù)據(jù)確定，而碳鋼鑄件的臨界壁厚可按含碳量確定（見表6-9）。但是各種資料推薦的臨界壁厚數(shù)據(jù)不盡相同，設計人員應根據(jù)具體條件參照選用。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計圖6-7壁厚的過渡形式鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計圖中a)：當T/t<1.5時，厚、薄兩壁最好用圓弧連結(jié)，圓弧半徑R=(2t+T)/2；圖中b)：當T/t>1.5時，兩壁的連結(jié)可用斜坡逐漸過渡，其斜坡部分的長度L=4(T+t)，斜坡與薄壁連結(jié)的圓弧半徑R=4t，圖中c)：如果斜坡部分的長度L受到限制時，則厚壁與斜坡之間的連接再取適當?shù)膱A弧半徑R1如所示。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計2.鑄件壁的連接

鑄件壁的連結(jié)處應呈圓弧狀，若是尖角連接，就會在該處形成結(jié)晶脆弱面，降低強度又有應力集中現(xiàn)象，易產(chǎn)生裂紋缺陷。同時在交接處又是熱節(jié)點，易產(chǎn)生縮孔或縮松(圖6-8a)。圖6-8鑄件壁的連接鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計

如果鑄件相連兩壁的厚度相差較大時(即T/t≥2時)，對于鑄造性能較差的合金，單采用圓角連接不行，還需采用逐漸過渡的辦法(如圖6-9)，以防連接處開裂。W=0.75T；r=0.5T（>0.5）；當T/t>4時，L=2T；當T/t=2~4時，L=1.5T。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計圖6-10鑄件壁的幾種連接形式鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計可以改變連接形式，見圖6-11。

圖6-11改變連接形式的實例鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計如輪形鑄件的結(jié)構，在凝固過程中，輪輻冷卻最快，輪緣次之，輪轂冷卻最慢；就可能使輪轂(或輪轂與輪輻的連接處)形成熱裂或造成輪輻因應力開裂(冷裂)。圖6-12輪輻的形式(a)直輻條(b)彎輻條(c)板輻鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計3.鑄件的結(jié)構形狀

鑄件的結(jié)構形狀，對鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)成本有很大影響，如果鑄件形狀設計不合理，不僅會使模具制造、造型、造芯和清理等工序復雜化，并且會提高鑄件的廢品率。在設計鑄件形狀時，應注意以下幾點：鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計1)鑄件結(jié)構形狀應符合造型工藝的要求，盡量減少分型面、分模面、模型活塊和砂芯數(shù)量。如圖6-13(a)所示的鑄件，由于其外形在垂直于分型面的取模方向有“內(nèi)凹”部分阻礙取模，所以需要采用活塊模型或砂芯成形。若將鑄件外形改成圖中(b)所示，的形式，就可簡化模型、鑄型結(jié)構和生產(chǎn)過程。鑄造工藝學第6章鑄造工藝設計

又如圖6-14(a)所示