1、8.1.1冒口的形状及形状冒口的形状及形状1.冒口的分类 习惯上把冒口所铸成的金属实体也称为冒口。冒口的分类见图8-1。2.冒口的形状 冒口的形状取决于铸件或铸件热节处的形状和尺寸。冒口的形状直接影响其补缩效果，在冒口设计时，应从体积相同的形体中，选用散热面积最小的。这样，冒口散热就慢，凝固时间就长，其补缩效果就好。冒口的形状有圆柱形、球顶圆柱形、长(腰)圆柱形、球形及扁球形等多种。为了提高冒口的补缩效率，要求其相对散热面积越小越好，因此，球形冒口是最理想的冒口形状。但是球形冒口造型起模困难，应用受到限制。实际生产中应用最多的是圆柱形、球顶圆柱形、腰圆柱形冒口。选择冒口形状时，要根据铸件热节的
2、形状而定，例如，轮类铸件，在轮缘处热节形状为长条形，通常采用压边的腰圆形冒口较好。8.1.2冒口的补缩原理冒口的补缩原理1.冒口设计的基本原则（1）冒口的凝固时间应大于铸件被补缩部分的收缩时间。（2）冒口所能提供的补缩液量应大于或者等于铸件的液态收缩、凝固收缩和型腔扩大量之和，即有足够的金属液补充铸件的收缩和型腔扩大的体积。（3）在凝固期间，冒口和铸件需要补缩部分之间在整个补缩过程中应存在通道，扩张角向着冒口。（4）在满足上述条件下，应尽量减少冒口体积，节约金属，提高工艺出品率。2.冒口位置确定原则（1）冒口应设在铸件热节的上方（顶冒口）或旁侧（边冒口）。（2）冒口应尽量设在铸件最高、最厚的部
3、位。对低处的热节增设补贴或使用冷铁以保证顺序凝固和补缩通道畅通，造成补缩的有利条件。（3）冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位，防止由于组织粗大降低力学性能。（4）冒口位置不要选在铸造应力集中处，应注意减轻对铸件的收缩阻碍，以免引起裂纹。（5）尽量用一个冒口同时补缩几个热节或铸件。（6）在满足补缩的作用前提下，冒口应尽可能设在加工面上，可节约铸件精整工时，零件外观好，减少清理冒口根部的工作量和降低能源消耗。（7）不同高度上的冒口，应用冷铁使各个冒口的补缩范围隔开。（8）对致密度要求高的铸件，冒口应按其有效补缩距离进行设置。3.冒口有效补缩距离的确定 冒口的有效补缩距离为冒口区与末端区长度之和，
4、若铸件被补缩的长度超过冒口的有效补缩距离，由于纵向温度梯度小，就会在冒口区和末端区之间部位出现缩松。冒口的有效补缩距离是确定冒口数目的依据，与铸件结构、合金成分及凝固特性、冷却条件、对铸件质量要求的高低等多种因素有关，如图8-2所示。冒口的有效补缩距离与合金种类、几何形状、铸件结构以及铸件凝固方向上的温度梯度有关，同时也和凝固时气体析出压力及冒口的补缩压力以及铸件质量要求的高低有关。（1）合金种类的影响 各种铸造合金凝固特性不同，因而冒口的有效补缩距离也有很大的区别。1）铸钢冒口的补缩距离 板形或杆形铸钢件的冒口有效补缩距离如用图8-3所示。不同断面宽厚比的数据可依图8-4曲线查出。不同厚度的
5、组合板铸件的冒口有效补缩距离见图8-5。2）有色合金的冒口补缩距离 大多数铝、镁合金的结晶温度间隔较宽，合金密度小，冒口的有效补缩距离很小，铸件的补缩效果很差。一般将冒口和冷铁配合使用，来消除铸件整个断面上分散的疏松缺陷。锡青铜和磷青铜类合金凝固范围一般较宽，呈糊状凝固，冒口的有效补缩距离较短，易出现分散性缩松。根据相关资料，铜合金补缩距离如表8-1所示。3）铸铁的冒口补缩距离 由于可利用石墨化膨胀压力来克服缩松，灰铸铁件冒口的补缩距离较大。而高牌号铸铁的共晶度低，结晶温度范围宽，共晶转变前析出的奥氏体量大，阻碍补缩，故冒口补缩距离较小。球墨铸铁件属于糊状凝固方式，补缩条件不好。因而球铁件冒口
6、的有效补缩距离比灰铸铁小。表8-2是典型工艺条件下，球铁件冒口有效补缩距离的数据。（2）铸件结构和形状的影响 铸件的结构和形状对冒口的补缩距离有很大的影响。不同的形状的铸件，其中所形成的补缩通道不一样。板状铸件的补缩通道较宽，有效补缩距离可以适当大一些；而杆状铸件的补缩通道较窄，有效补缩距离就应该小一些。（3）冷铁的影响 在两个冒口之间安防冷铁，相当于在铸件中间增加了激冷端，利用冷铁的激冷作用使铸件朝着冒口方向的温度梯度增大，加强铸件的顺序凝固，从而显著增加冒口的有效补缩距离。8.1.3工艺补贴的应用工艺补贴的应用 工艺补贴可以增加冒口的有效补缩距离，提高冒口的补缩效率。依在铸件上的位置，补贴
7、可分为垂直补贴和水平补贴两类，见图8-6、8-7。按照补贴所使用的材质可分为金属补贴、发热补贴、保温补贴等。采用金属补贴，会增加金属消耗量，增大铸件清理和机械加工的费用。所以近年来已开始采用发热(保温)补贴，以提高经济效益。8.1.4冒口位置的确定冒口位置的确定 一般情况下，根据浇注位置、铸件结构特点、浇注系统类型以及冷铁的应用等工艺因素确定冒口的位置：（1）先确定铸件的热节位置，侧冒口应就近设在铸件热节的上方或侧旁。（2）冒口应尽量设在铸件最高、最厚的部位。（3）对低处的热节增设补贴或使用冷铁、造成补缩的有利条件。（4）当铸件结构复杂时，通常把铸件划分成几个区域，在每一个区域内设置若干个合适
8、的冒口。（5）对于那些壁厚均匀的铸件，则需要根据冒口的有效补缩距离来确定冒口的位置和个数。在确定冒口位置时应注意下述问题：(1)在铸件不同高度上布置冒口时，应采用冷铁等工艺措施将各个冒口补缩区隔离开(如图8-8所示)，以免造成上部冒口对下部冒口的补缩，使铸件上部产生缩孔或疏松。(2)冒口的位置应有利于铸件的清理、切割、打磨等操作。(3)冒口位置应与合金液引入位置相配合，最好安置在内浇道上，使金属液通过冒口进入型腔。(4)冒口的安置不应使铸件上热量过分集中。确定冒口尺寸的方法有模数法、比例法、形状因素法、热节圆法和缩管法等。通常计算出的冒口尺寸，用铸件的工艺出品率进行校核。8.2.1模数法模数法
9、1.模数的概念 铸件被补缩部位的体积与散热表面积的比值，其表达式为M=V/A。不管铸件的形状如何，只要铸件的模数相等，其凝固时间就相等或相近。M与凝固时间之间的关系为：式中K为凝固系数。2.模数法的基本原理 模数法的基本原理主要有以下两条：（1）冒口凝固时间应大于或至少等于铸件被补缩部位的凝固时间。只要满足M冒M件，冒口就能比铸件晚凝固。（2）冒口必须具有足够的合金液补充铸件被补缩部分的体积收缩。即：8.2.2 三次方程法三次方程法 三次方程法是模数法的延伸，其原理是冒口在补缩铸件的过程中，质量向铸件转移，冒口体积不断减少，到凝固结束时，体积有Vr减小到Vr-Vc，冒口的散热表面积由于中间缩孔
10、总是位于冒口中间位置，可以认为冒口缩孔侧面总的散热面近似等于冒口顶面散热的结果，即可近似认为冒口凝固结束时的散热表面积等于冒口在凝固初始时的散热表面积Ar，冒口模数：铸件散热表面积凝固前后没有变化，所以铸件模数：理想的冒口设计应使补缩终了时冒口模数等于铸件模数，即Mr=Mc。8.2.3补缩液量法补缩液量法 基本原理是建立在两点假定基础上：假定铸件凝固层增长速度与冒口的相等；假定冒口内用的金属液体积（缩孔体积）为直径 的球。这样，当冒口高度和直径相等时，铸件中最大凝固层厚度为壁厚的一半，依假定，冒口中凝固层厚度也为铸件厚度一半，因而，冒口中缩孔球直径 等于冒口直径与铸件厚度之差，见图8-10。8
11、.2.4比例法比例法 比例法是在分析、统计大量工艺资料的基础上，总结出的冒口尺寸经验确定法。现以常见的轮形铸钢件(如齿轮、车轮、皮带轮、摩擦轮和飞轮等)为例，介绍用比例法确定冒口尺寸的方法、步骤(见图8-11)。（1）热节圆直径 的确定 根据零件图尺寸，加上加工余量和铸造收缩率作图(最好按1:1)，量出或算出热节圆直径(应考虑砂尖角效应)。（2）按比例确定轮缘冒口尺寸（3）轮毂冒口尺寸 1)轮毂补贴依下列比例关系确定，轮毂补贴比轮缘补贴略小。2)当轮毂较小时用一个冒口，冒口尺寸为：当轮毂直径较大，需要设两个或更多的冒口，冒口尺寸应按轮缘冒口的确定方法计算。8.2.5铸件工艺出品率的校核铸件工艺
12、出品率的校核 用以上方法确定和设计的冒口是否合适，尚需生产实践的检验，常用的检验办法是计算铸件实收率。铸件实收率又称工艺出品率，常用下式表示：式中，GC、Gr、Gg分别为铸件、冒口、浇注系统的重量。8.3.1铸铁的体收缩铸铁的体收缩 灰铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁在凝固过程中，由于析出石墨而体积膨胀，且膨胀的大小、出现的早晚，都受到冶金质量和冷却速度的影响，因而凝固过程与其他合金有所不同。以球铁为代表，由于共晶转变过程中石墨相的析出，会产生体积膨胀。其凝固过程可分为：一次收缩、体积膨胀和二次收缩等三阶段（见图8-13）。1.冶金质量的影响 冶金质量好的铸铁，在同样化学成分、冷却速度下，液态收缩、体
13、积膨胀和二次收缩值都小，因而形成缩孔、缩松和铸件胀大变形的倾向小，容易获得健全的铸件。还需注意影响冶金质量的其他因素，这些因素是：（1）在炉料的组成及品质方面，高炉新生铁最佳，废钢次之，回炉料最差。（2）炉型经验表明，用冲天炉最佳，其次为反射炉、无芯感应炉，电弧炉最差。（3）铁液的停留时间 铁液停留时间长，温度高（超过1500），降低冶金质量。（4）采用合理的孕育工艺处理，获得良好的孕育效果，则有利于提高冶金质量。2.冷却速度的影响 一般情况下，冷却速度越大，铸铁的液态收缩、体积膨胀和二次收缩值也越大。在砂型铸造条件下，铸件冷却速度主要取决于铸件模数。8.3.2 实用冒口设计法实用冒口设计法
14、实用冒口设计法：让冒口和冒口颈先于铸件凝固，利用全部或部分共晶膨胀量在铸件内部建立压力，实现自补缩。该法工艺出品率高，铸件质量好，成本低等优点，比普通冒口更实用。实用冒口的种类及适用范围（以球铁为代表）如下:1.直接实用冒口（1）基本原理 直接实用冒口是为了补偿铸件的液态收缩，而当共晶膨胀开始，或者膨胀开始后的短时期内，让冒口颈及时冻结。在刚性好的高强度铸型内，铸铁的共晶膨胀形成内压，迫使液体流向缩孔、缩松形成之处，这样就可预防铸件于凝固期内部出现真空度，从而避免了缩孔、缩松缺陷。（2）冒口和冒口颈 1）冒口体积 在近平衡状态下，近似地认为铸铁的共晶温度是1150。对于共晶成分的铸铁液，从浇注
15、温度tP冷却到共晶温度的体收缩率液，可用下式表示：2）冒口颈的设计 图8-14是以Mn的计算式为依据，考虑了浇注温度及铸件对冒口颈的热作用等方面的情况而制成的Mn-Mc图。可以初步用来近似地确定冒口颈的模数。（3）利用浇注系统当冒口 直接实用冒口系统主要适用于一些薄壁铸件。一般说来，这类铸件的Mc小，因而Mn也小。这样可以使用内绕道作为冒口颈，利用浇口杯和直浇道代替冒口补偿铸件的液态收缩。选择该方案要满足铸件模数0.4cm，铸型有足够的强度的条件。2.控制压力冒口（1）控制压力冒口的基本原理 由图8-15可见，控制压力冒口的作用是在内浇道凝固后由冒口补偿铸件的液态收缩(图b)，而当铸件发生共晶
16、膨胀时，冒口又接受来自型腔的金属液(回填冒口)以释放型腔内的部分膨胀压力(图c)。（2）铁水反补充冒口的控制 有三种控制方法：一是冒口颈适时冻结；二是利用暗冒口的容积实现控制；三是采用冒口颈尺寸和暗冒口容积的双重控制。（3）设计方法 冒口模数Mr由图8-16确定。冶金质量好取下限值，一般情况取中间。冒口放置在厚大部位，以暗冒口为宜。控制压力冒口补缩距离与铸件的模数和冶金质量有关，如图8-17所示。8.3.3 铸铁件的均衡凝固技术铸铁件的均衡凝固技术 1.均衡凝固的原理 铸铁液冷却时产生体积收缩，凝固时因析出石墨又发生体积膨胀，膨胀可以抵消一部分收缩。均衡凝固技术就是利用收缩和膨胀的动态叠加，采
17、取工艺措施，使单位时间的收缩与补缩、收缩与膨胀按比例进行的一种凝固原则，可以理解为有限的顺序凝固。2.均衡凝固的工艺原则（1）铸铁件的体收缩率是不确定的，不仅与化学成分、浇注温度有关，还和铸件大小、壁厚、结构、浇注工艺方案、铸型种类有关。（2）相对来说，薄小件更加强调补缩，厚大件补缩要求较低。（3）铸铁件的冒口不必晚于铸件凝固，冒口模数可以小于铸件模数，应该充分利用石墨化膨胀的自补缩条件。（4）冒口不应该放置在铸件热节点上，要靠近热节以利补缩；又要离开热节，以减少冒口对铸件的热干扰。这是均衡凝固的技术关键之一。（5）开设浇冒口时，要避免在浇冒口和铸件接触处形成接触热节。（6）采用冷铁，平衡壁厚
18、差，消除热节。不仅能防止厚处热节的缩松，且可使石墨化膨胀提前，减小冒口尺寸，增强自补缩作用。（7）铸件的厚壁热节应放在浇注位置下部。当厚薄相差较大时，厚壁热节处安放外冷铁，铸件可不放冒口。如果铸件大平面处于上箱，可采用溢流冒口保证大平面的表面品质。（8）建议耳冒口、飞边冒口等冒口颈采用短、薄、宽的形式。（9）优先采用顶注工艺。使先浇入的铁液尽快静止，尽快发生石墨化膨胀，以提高自补缩程度。要避免切线引入，防止铁液在型内旋转，降低石墨化膨胀的自补缩利用程度。3.冒口设计基础 铸铁件体积收缩与膨胀的叠加原理如图8-18所示，图中P点均衡点，对应着铸件收缩值正好等于膨胀值的时间，此时表观收缩为零，即为
19、冒口补缩的中止时间。（1）收缩时间分数 铸铁件表观收缩时间AP与铸件凝固时间AC之比值，即（2）收缩模数Mp Mp定义为均衡点P对应的模数，即凝固时间为AP的铸件模数：（3）铸铁件的补缩率 铸件从浇注系统、冒口中抽吸的金属液量，称为铸件的补缩量。补缩量与铸件及浇冒口体积之比称为补缩率F，即：4.冒口设计的收缩模数法（1）冒口模数 冒口模数由下式计算：（2）冒口体积 冒口体积Vr用下式计算：（3）冒口颈模数Mn 冒口颈模数按下式计算：随着冒口颈长度的增加而增大，推荐值见表8-4。5.冒口设计的分段比例法 比例法补缩设计是工程应用中一种简单直观的设计方法，其经验性强，主要适用于系列产品的类比设计。
20、分段比例法设计中，冒口设计及高度的比例关系可参考下列公式：8.4.1大气压力冒口大气压力冒口 采取如在冒口顶部插放一个砂芯，或造型时做出锥顶砂，使外界大气压力作用到冒口的金属液中增加补缩压力，该冒口称为大气压力冒口（图8-19）。8.4.2保温冒口和发热冒口保温冒口和发热冒口 用保温材料或发热材料作冒口套、冒口顶部使用保温剂或发热剂的叫保温冒口或发热冒口（图8-20）。1.冒口套的组成 冒口套一般由耐火材料、保温材料、发热材料和粘结剂组成。（1）耐火材料 常用镁砂、石英砂、铬铁矿砂等，其发热机理是通过氧化剂与发热材料的氧化还原反应释放大量热量而完成。（2）保温材料 常用膨胀珍珠岩、发电厂粉煤灰
21、、蛙石、漂珠、大孔陶粒、以及矿渣棉、陶瓷棉等。（3）发热剂和点火剂 发热剂常用铝粉、氧化铁和硅铁粉的混合物，称为铝硅热剂，发热剂成分见表8-5。（4）延缓、填充剂 起延缓放热反应进行的作用，常用硅砂、耐火砖粉、刚玉砂等。（5）粘结剂 常用膨润土、矾土水泥、水玻璃和酚醛树脂等。2.保温、发热冒口的计算 冒口模数可依下式计算：E可由实验测定。其原理为：在其他条件相同时(浇温、钢液成分等)，在一型内制造相同几何尺寸的保温(发热)冒口、普通冒口各一个。浇注后分别测出两个冒口的凝固时间 。根据Chvorinov公式有：关系曲线如图8-21所示。一般取=（11.5）ME，也可参考表8-6。8.4.3易割冒
22、口易割冒口 为便于铸钢件冒口的去除，减轻去除冒口的劳动量，生产中常在冒口根部放置由耐火材料或耐火陶瓷制成的带孔隔片，以形成冒口根部的缩颈，这种冒口叫做易割冒口，如图8-22所示。8.5.1冷铁的作用冷铁的作用 1.与浇注系统和冒口配合使用，控制铸件的凝固顺序，增加冒口的补缩距离。2.加速铸件的凝固速度，细化晶粒组织，提高铸件的力学性能。3.冷铁还可用来划分冒口的补缩区域，扩大和控制冒口的补缩范围，提高冒口的补缩效率。8.5.2外冷铁外冷铁 1.外冷铁的种类 外冷铁分为直接外冷铁和间接外冷铁两类。2.使用外冷铁注意事项（1）外冷铁的位置和激冷能力的选择，以不破坏顺序凝固条件和不会堵塞补缩通道为准
23、。（2）每块冷铁不能过大、过长，冷铁之间应该留一定的间隙，从而避免铸件产生裂纹和由于冷铁受热膨胀而破坏铸型。（3）尽量把外冷铁放在铸件的底部和侧面，因为顶部外冷铁不容易固定，并且常影响型腔排气。（4）外冷铁紧贴铸件表面的部位应该光洁，需要除去锈污，有时要刷涂料。（5）对于容易产生裂纹的铸造合金，使用外冷铁时应该带有一定的斜度，从而避免型砂和冷铁分界处由于冷却速度差别过大导致形成裂纹，可以把外冷铁做成图8-23(b)(c)所示的形式。对铸铁件和一般铸铜件，（a）、（b）、（c）均适用。（6）铸铁外冷铁多次使用后，由于氧及其他气体会沿石墨缝隙进入冷铁内部，造成其氧化、生长。当再次应用时，遇热就会析
24、出气体，导致铸件气孔。因此，用于要求高的铸件应限制同一个外冷铁的使用次数。（7）外冷铁边缘与砂型相接处不宜有尖角砂，应设法做成图8-24 的形式。3.冷铁的设计 冷铁的设计对获得合格、优质铸件发挥着很大的作用。冷铁设计的主要内容是确定冷铁放置的位置，冷铁的形状和尺寸。（1）冷铁放置位置1)从要求冷铁所起作用的角度分析确定冷铁在铸型中的位置2)从铸件结构的角度分析确定冷铁的安放位置3)从与冒口配合使用的角度分析确定冷铁的安放位置4)从浇注系统及引入位置的角度分析确定冷铁的安放位置（2）冷铁尺寸的确定1)冷铁的厚度 确定冷铁的尺寸主要是确定冷铁的厚度，目前生产中是根据冷铁的作用和冷铁处铸件热节的大
25、小来确定冷铁的厚度。参见表8-7。2)冷铁的工作表面积外冷铁作表面积Ac可用以下公式计算：对无气隙外冷铁有：对有气隙外冷铁有：8.5.3内冷铁内冷铁 在与铸件需要激冷部分相对应的型腔中安置金属激冷物，浇注后该激冷物与金属液熔合对金属液起激冷作用并最终成为铸件壁的组成部分，这种金属激冷物称为内冷铁，其形状及安置方法见图8-25。1.内冷铁的熔接过程 内冷铁的熔接过程可分为四个阶段，见图8-26。2.内冷铁质量和尺寸的确定 熔接内冷铁的计算原理见图8-27，设铸件热节部分所释放出的多余热量，为过热热量及1/3的熔化热，应使内冷铁升温到固相线温度（1450），并吸收1/2的熔化热。3.冷铁计算 图8-28所示的铸件由、和三部分组成，如果使铸件部分在凝固过程中不产生缩孔，必须在部分放置内冷铁，但冷铁放入后，又要不影响对部分的补缩。
