第三節(jié) 冒口、冷鐵設(shè)計(jì)教材

第三節(jié)冒口、冷鐵設(shè)計(jì)一、冒口

冒口是鑄型內(nèi)設(shè)置的一個(gè)儲(chǔ)存金屬液的空腔。冒口的概念冒口的作用冒口的分類常見(jiàn)冒口形式冒口的設(shè)計(jì)1)對(duì)于凝固溫度范圍寬，不產(chǎn)生集中縮孔的合金，冒口的作用主要是排氣和收集液流前沿混有夾雜物或氧化膜的金屬液。這種冒口多置于內(nèi)澆道的對(duì)面，其尺寸也不必太大。2)對(duì)于要求控制顯微組織的鑄件，冒口可以收集液流前沿的過(guò)冷金屬液，避免鑄件上出現(xiàn)過(guò)冷組織。3)對(duì)于凝固期間體積收縮量大，且趨向于形成集中縮孔的合金（如鑄鋼、錳黃銅和鋁青銅等），冒口的主要作用是補(bǔ)償鑄件的液態(tài)收縮和凝固收縮以得到致密的鑄件。

對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，防止產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷，同時(shí)提高排氣、集渣等效果，防止產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。冒口的作用冒口頂冒口側(cè)冒口明冒口暗冒口依所在位置分依覆蓋情況分壓縮空氣冒口發(fā)氣壓力冒口大氣壓力冒口保溫發(fā)熱冒口發(fā)熱冒口加氧冒口煤氣加熱冒口電弧加熱冒口易割冒口依加壓方式分依加熱方式分普通冒口特種冒口直接實(shí)用冒口控制壓力冒口傳統(tǒng)冒口鑄鐵件的實(shí)用冒口分類暗頂冒口明側(cè)冒口暗側(cè)冒口易割冒口壓邊冒口整體冒口發(fā)熱（保溫）冒口大氣壓力冒口明頂冒口冒口形式

功能不同的冒口，其形式、大小和開(kāi)設(shè)位置均不相同。冒口的設(shè)計(jì)要充分考慮鑄造合金的性質(zhì)和鑄件的特點(diǎn)。

根據(jù)鑄件的特點(diǎn)，冒口一般可分為通用冒口和實(shí)用冒口。1.通用冒口設(shè)計(jì)1

通用冒口的特點(diǎn)

適用于所有合金鑄件的冒口稱為通用冒口。2

通用冒口的補(bǔ)縮原理冒口設(shè)計(jì)①冒口凝固時(shí)間大于或等于鑄件（被補(bǔ)縮部分）的凝固時(shí)間。1)基本條件②有足夠的金屬液補(bǔ)充鑄件的液態(tài)收縮和凝固補(bǔ)縮以及澆注后型腔擴(kuò)大的體積。③在凝固期間，冒口和被補(bǔ)縮部位之間存在補(bǔ)縮通道，擴(kuò)張角始終向著冒口。

鑄件凝固過(guò)程中液相線之間形成的向冒口方向的擴(kuò)張角稱為補(bǔ)縮通道擴(kuò)張角，用

表示。補(bǔ)縮通道：

鑄件凝固過(guò)程中，冒口和鑄件被補(bǔ)縮部位之間始終保持著暢通的液態(tài)通道，稱為補(bǔ)縮通道。補(bǔ)縮通道擴(kuò)張角：

2)補(bǔ)縮通道和有效補(bǔ)縮距離①冒口與鑄件間的補(bǔ)縮通道②冒口的有效補(bǔ)縮距離中間區(qū)末端區(qū)冒口作用區(qū)冒口有效補(bǔ)縮距離

冒口的有效補(bǔ)縮距離應(yīng)考慮冒口補(bǔ)縮和鑄件末端冷卻效應(yīng)的聯(lián)合作用。掌握冒口補(bǔ)縮距離，可以合理地規(guī)定大鑄件冒口的間距和數(shù)量。

一般情況下，平行截面的板狀、棒狀鋼鑄件冒口有效補(bǔ)縮距離為其厚度(T)的二倍，如有末端效應(yīng)則為厚度的四點(diǎn)五倍（4.5T）。金屬補(bǔ)貼③冒口的有效補(bǔ)縮的保證利用冷鐵和工藝補(bǔ)貼。加熱補(bǔ)貼

固相補(bǔ)縮是最后階段，對(duì)鑄件外形收縮有直接影響。3)補(bǔ)縮的過(guò)程

液態(tài)補(bǔ)縮為凝固初期的主要補(bǔ)縮方式。

重量補(bǔ)縮是緊跟液態(tài)補(bǔ)縮發(fā)生的固相在重力下自動(dòng)積聚的補(bǔ)縮方式。

第三階段枝晶間補(bǔ)縮，對(duì)形成疏松缺陷有直接影響。4)適用條件

適用于所有合金鑄件。但通常用于鑄型剛度差的較厚鑄鐵件的生產(chǎn)。3

通用冒口的設(shè)計(jì)

冒口的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)內(nèi)容：一是確定位置和數(shù)量，二是確定冒口的尺寸。②冒口應(yīng)設(shè)在鑄件最高和最后凝固的部位，同時(shí)必須采取措施形成向冒口方向的定向凝固。1)冒口的位置①冒口應(yīng)就近設(shè)在鑄件熱節(jié)的上方或側(cè)旁。③冒口不應(yīng)設(shè)在鑄件重要的、受力大的部位。⑤冒口應(yīng)盡量設(shè)置在方便和容易清除冒口殘根的地方或盡量放在加工面上，減少鑄件不必要的加工或修整。⑥對(duì)于不同高度上的冒口，應(yīng)用冷鐵使各個(gè)冒口的補(bǔ)縮距離隔開(kāi)。④冒口應(yīng)避免放在鑄件上應(yīng)力集中的部位，注意減輕對(duì)鑄件的收縮阻礙，以免由于加大熱差造成鑄件變形或開(kāi)裂。2)冒口的尺寸模數(shù)法、比例法、三次方程法、補(bǔ)縮液量法①模數(shù)法的基本原理順序凝固

c

n

r鑄件受補(bǔ)縮部分的凝固時(shí)間冒口的凝固時(shí)間冒口頸的凝固時(shí)間<<castriserheadneckofriserhead凝固系數(shù)模數(shù)

模數(shù)小的鑄件，凝固時(shí)間短，模數(shù)大的鑄件，凝固時(shí)間長(zhǎng)，模數(shù)相同的鑄件，凝固時(shí)間相等或相近。凝固模數(shù)：鑄件的體積和傳熱面積的比值，簡(jiǎn)稱模數(shù)。鑄件的凝固時(shí)間取決于它的模數(shù)。M＝V／A（cm）對(duì)于普通冒口：Kc=Kn=Kr對(duì)于碳鋼鑄件：側(cè)冒口：Mc:Mn:Mr=1:1.1:1.2內(nèi)澆道通過(guò)冒口：Mc:Mn:Mr=1:（1~1.03）:1.2頂冒口：Mr=（1~1.2）Mc考慮到縮孔應(yīng)完全在冒口內(nèi)，有：金屬的體收縮率冒口的補(bǔ)縮效率型壁移動(dòng)而擴(kuò)大的體積②冒口設(shè)計(jì)的基本步驟a)計(jì)算鑄件的模數(shù)b)求出冒口及冒口頸的模數(shù)c)確定冒口的形狀和尺寸d)確定冒口的個(gè)數(shù)e)校核冒口的最大補(bǔ)縮能力③計(jì)算舉例見(jiàn)教材121頁(yè)。幾種常見(jiàn)幾何體的模數(shù)計(jì)算公式4

提高通用冒口補(bǔ)縮效率的措施

提高冒口中金屬液的補(bǔ)縮壓力（采用大氣壓力冒口）和延長(zhǎng)冒口中金屬凝固時(shí)間（采用保溫、發(fā)熱冒口）2.實(shí)用冒口設(shè)計(jì)1)實(shí)用冒口設(shè)計(jì)法

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，從而克服補(bǔ)縮缺陷。①直接實(shí)用冒口

原理：直接實(shí)用冒口是利用冒口來(lái)補(bǔ)償鑄件的液態(tài)收縮，而當(dāng)共晶膨脹開(kāi)始時(shí)，讓冒口頸及時(shí)凝固，只要鑄型的剛性足夠，就可利用共晶膨脹彌補(bǔ)可能出現(xiàn)的縮孔、縮松缺陷。

特點(diǎn)：鑄件工藝出品率高，冒口設(shè)計(jì)靈活，去除冒口的費(fèi)用少，但要求鑄型強(qiáng)度高，澆注溫度范圍嚴(yán)格，保證冒口頸凍結(jié)時(shí)間準(zhǔn)確，模數(shù)不易確定。②控制壓力冒口

冒口對(duì)鑄件的液態(tài)收縮進(jìn)行補(bǔ)償，并且在共晶膨脹初期冒口頸仍然保持暢通，使鑄件內(nèi)部鐵液回填冒口以釋放壓力。（三）基于均衡理論的冒口設(shè)計(jì)1.鑄鐵件的均衡凝固理論

均衡凝固就是利用收縮和膨脹的動(dòng)態(tài)疊加，通過(guò)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)行的凝固原則2.均衡凝固的工藝原則1)鑄鐵件的體收縮率取決于鑄鐵成分、外界澆注條件及鑄件本身。2)壁厚越薄的小件，補(bǔ)縮要求越高，壁厚越厚的大件，補(bǔ)縮要求越低。3)任何鑄鐵件都應(yīng)以自補(bǔ)縮為基礎(chǔ)。4)冒口不應(yīng)放在鑄件熱節(jié)點(diǎn)上。要靠近熱節(jié)以利補(bǔ)縮，又要離開(kāi)熱節(jié)，以減少冒口對(duì)鑄件的熱干擾。5)開(kāi)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)盡量使用耳冒口、飛邊冒口等冒口頸短、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。8)可利用冷鐵平衡壁厚差，消除熱節(jié)。9)優(yōu)先采用頂注工藝。利于盡早發(fā)生石墨化膨脹，提高自補(bǔ)縮程度。二、冷鐵的設(shè)計(jì)冷鐵：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金屬塊稱為冷鐵。（一）冷鐵的種類及作用1.種類冷鐵直接外冷鐵間接外冷鐵內(nèi)冷鐵外冷鐵2.作用1)在冒口難以補(bǔ)縮的部位防止縮孔、縮松。2)劃分冒口的補(bǔ)縮區(qū)域，控制和擴(kuò)大冒口的補(bǔ)縮距離，提高冒口的補(bǔ)縮效率。3)加速壁厚交叉部分及急劇變化部位的凝固，避免產(chǎn)生熱裂紋。4)改善鑄件局部的金相組織和力學(xué)性能。（二）冷鐵材料的選擇冷鐵鋼冷鐵和鑄鐵冷鐵鋁冷鐵銅冷鐵石墨鎂砂等激冷物（三）外冷鐵的設(shè)計(jì)1.確定外冷鐵形狀形狀一致原則。成型冷鐵平面冷鐵2.確定冷鐵尺寸1)冷鐵厚度T序號(hào)使用條件外冷鐵的厚度123456灰鑄鐵件球墨鑄鐵件鑄鋼件銅合金件輕合金件=（0.25~0.5）T=（0.3~0.8）T=（0.3~0.8）T=（1.0~2.0）T=（0.6~1.0）T=（0.25~0.5）T

冷鐵置于鑄件底部或末端時(shí)，厚度可選大些；在鑄件局部熱節(jié)處安放的冷鐵必須嚴(yán)格控制其厚度。2)確定冷鐵工作表面積

激冷效果相當(dāng)于在原有砂型的散熱表面上凈增了兩倍冷鐵工作表面積(As=A0+2AC1)

在重力和鑄件收縮力作用下同鑄件表面緊密接觸。①氣隙外冷鐵

（設(shè)在鑄件頂部和外側(cè)）

激冷效果相當(dāng)于在原有砂型的散熱表面上凈增了一倍的冷鐵工作表面積(As=A0+AC2)。②無(wú)氣隙外冷鐵（設(shè)在鑄件底部和內(nèi)側(cè)）而

當(dāng)實(shí)現(xiàn)同時(shí)凝固時(shí)，M1等于熱節(jié)四周簿壁部分的模數(shù)；

實(shí)現(xiàn)順序凝固時(shí)，M1=（0.83~0.91）MP，MP是熱節(jié)旁補(bǔ)縮壁的模數(shù)。

經(jīng)驗(yàn)證明，只有滿足MP0.67M0的條件下，才能用外冷鐵消除熱節(jié)的影響。3.使用注意事項(xiàng)1)外冷鐵尺寸不易過(guò)大，長(zhǎng)度尺寸不超過(guò)200mm。2)盡量將外冷鐵放在底部和側(cè)面。3)外冷鐵表面工作表面應(yīng)平整光潔，無(wú)油污和銹蝕，并涂以涂料。4)冷鐵的安放位置必須充分考慮鑄件的結(jié)構(gòu)與冒口的配合。思考題1.什么是順序凝固原則？什么是同時(shí)凝固原則？什么是均衡凝固原則？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？2.鑄件的壁厚為什么不宜過(guò)薄和過(guò)厚？為什么盡可能厚薄均勻？為什么要規(guī)定鑄件的最小壁厚？3.為便于生產(chǎn)和保證鑄件質(zhì)量，通常對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)有哪些要求？4.何謂鑄件的澆注位置？其對(duì)鑄件的質(zhì)量有什么影響？應(yīng)按何原則來(lái)選擇？5.試述分型面與分模面