冒口种类及补缩原理.ppt

铸造工艺学 主讲教师：赵中魁 作业 nP289 n3、4、7 第14讲 冒口的种类及补缩原理 n冒口的种类 n通用冒口补缩原理 合金收缩的三个阶段 缩孔和缩松都使铸件的力学 性能下降，缩松还使铸件在气密 性试验和水压试验时出现渗漏现 象。生产中可通过在铸件的厚壁 处设置冒口的工艺措施，使缩孔 转移至最后凝固的冒口处，从而 获得完整的铸件，如下图所示， 冒口是多余部分，切除后便获得 完整、致密的铸件；也可以通过 合理地设计铸件结构，避免铸件 局部金属积聚，来预防缩孔的产 生。 阀体的冒口补缩 什么是冒口？ 冒口是铸型内用以储存金属液的空腔，在铸件形成时补 给金属，有防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用。习惯上把 冒口所铸成的金属实体也称为冒口。 冒口的作用 (1) 补偿铸件凝固时的收缩。即 将冒口设置在铸件最后凝固的部位， 由冒口中的合金液补偿其体收缩，使 收缩形成的孔洞移入冒口，防止铸件 产生缩孔、缩松缺陷。 (2) 调整铸件凝固时的温度分布 ，控制铸件的凝固顺序。 (3) 排气、集渣。 (4) 利用明冒口观察型腔内金属 液的充型情况。 一、冒口的种类 明冒口 暗冒口 顶冒口 侧冒口 贴边冒口 它在轻合金铸件、铸铁件及中小 型铸钢件的生产中多使用明冒口 。 （1）明冒口 一般都设置在铸件顶部 与大气相通，排气及浮效果较好。 如需要补缩的部分与铸型顶面的距离较大 ，或冒口的上部受到铸件另一部分结构的阻碍 以及在高压釜中浇注时，常常采用暗冒口。 （2）暗冒口 可设置在铸件的任何位置上。 一般设于铸件最高位置或热节部位的上面， 这样补缩压力大，补缩效果好，而且浮渣和排气 也比较容易。 （3）顶冒口 常采用明冒口的形式。 侧冒口也有明冒口和暗冒口两种形式，依 热节在铸件所处的位置而定。 （4）侧冒口 当铸件的热节部位处于铸件的侧面和下 部时，应选用。 需要加比较大的补贴工艺余量，才能充分发挥贴 边冒口的补缩作用 （5）贴边冒口 介于顶冒口和侧冒口之间的冒口。 适用于铸件的厚大部位处于铸件的中、下部而垂 直壁厚又比较小的情况。 冒口形状有圆柱形、球顶圆柱形、长（腰）圆柱形、球 形及局球形等多种。图3-5-1为常用冒口种类。 在冒口体积相同的情况下，球形冒口的散热面积最小，模 数最大，凝固时间最长，补缩效果最好，其它形状冒口的补缩 效果，依次为圆柱形、长方体形等。 二、通用冒口补缩原理 1.基本条件 设计的通用冒口应遵守顺序凝固的基本条件： (1) 冒口的凝固时间应大于或等于铸件（被补缩部分） 的凝固时间。 (2) 冒口应有足够大的体积，以保证有足够的金属液补 充铸件的液态收缩和疑固收缩，补偿浇注后型腔扩大的体积 。 (3) 在铸件整个凝固的过程中，冒口与被补缩部位之间 的补缩通道应该畅通，即使扩张角始终向着冒口。 （4）还需要注意将冒口与浇注系统、冷铁、工艺补贴 等配合使用，使铸件在较大的温度梯度下，自远离冒口的末 端区逐渐向着冒口方向实现明显的顺序凝固。 2. 选择冒口位置的原则 1） 冒口应就近设在 铸件热节的上方或侧旁。 2） 尽量设在铸件最 高、最厚的部位。对低处 的热节增设补贴和使用冷 铁（图3-5-2），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 ，以防组织粗大降低强度 。 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。（图3-5-3） 6）冒口布置在加工面上，可节约铸件精整工时，零件外观好。 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。 （图3-5-4） 3.冒口的有效补缩补缩 距离的确定 冒口的末端区：在远离冒口的一端由于铸件存在边角， 补缩通道扩张角比较大，凝固时易于补缩，此区域称为末端 区。 冒口的补缩距离：即冒 口的有效补缩距离，它是 冒口作用区和末端区长度 之和，是确定冒口数目的 依据。 冒口的有效补缩距离与 合金种类、铸件结构、几何 形状以及铸件凝固方向上的 温度梯度有关，也和凝固时 析出气体的反压力及冒口的 补缩压力有关。 （1）铸钢件冒口的补缩距离 碳钢铸件的冒口补缩距离如图3-5-5所示。更精确的数据 可依图3-5-6曲线查出。 可见：冒口区长度和末端区长度都随铸件厚度增大而增大 ，且随截面的宽厚比减少而减小。薄壁件比厚壁铸件更难于 消除轴线缩松，而杆件比板件补缩难度大。 阶梯形铸钢件的冒口补缩距离比板形大。（图3-5- 7） 冒口的垂直补缩距离至少等于冒口的水平补缩距离 。 （2）铸铁件通用冒口的补缩距离 1）高牌号灰铸 铁的共晶度低，结 晶温度范围宽，共 晶转变前析出奥氏 体阻碍补缩，所以 冒口补缩距离小。 2）球墨铸铁具有糊状凝固特性，采用通用冒口补缩效果 较差。 只有在湿型或壳形铸造较厚的球墨铸铁件时，才有必要 采用传统冒口。 3）可锻铸铁冒口的补缩距离为44.5倍壁厚。 铸件壁厚水平补缩垂直补缩 湿型湿型湿型壳型 6.35 12.70 15.86 19.05 25.40 38.10 50.80 101.6114.3 101.6127.0 138.7152.4 31.75 101.6 114.3 228.6 88.9 127.0 127.0 88.9 133.4 165.3 228.6 球墨铸铁冒口的补缩距离 （3）有色合金的冒口补缩距离 1）铜合金 锡青铜和磷青铜凝固范围宽，呈糊状凝固，冒口的有 效补缩距离短，易出现缩松。 无锡青铜和黄铜凝固范围窄，冒口补缩距离大。 铜合金冒口的补缩距离 合金种类铸件形 状 末端区长冒口区长补缩 距 离 锡锌 青铜 (wSn=8%,wZn=4%) 板件 杆件 0 锰铁 黄铜 (wCu=55%,wMn=3%,wFe=1%) 板件 铝铁 青铜 (wAl=9%,wFe=4%) 板件 在干型，水平浇注条件下测出。 板厚或杆的边长 2）铝铝合金 共晶型铝铝合金的冒口补缩补缩距离为为4.5T。 非共晶型铝铝合金的冒口补缩补缩距离为为2T。 成分为为w(Si)7%，w(Cu)4%的合金，冒口补缩补缩距离 为为零。 （4）外冷铁的影响 1）在两个冒口之间安放冷铁，相当于在铸件中间增加了 激冷端，使冷铁两端向着两个冒口方向的温度梯度扩大，形 成两个冷铁末端区，显著地增大了冒口的补缩距离。 2）把冷铁置 于板或杆件末端 时，铸铁末端区 长度略有增加。 3）多边布置多块 冷铁，可大大延长冷铁 末端区的长度。 外冷铁之间距离为 0.51倍于冷铁长度。 （5）补贴的应用 1）什么是补贴？ 为实现顺序凝固和增强补 缩效果，在靠近冒口的铸件壁 厚上补加的倾斜的金属块称为 补贴，也称衬补、增肉。 2）补贴的作用 冒口附近有热节或铸件尺 寸超出冒口补缩距离，利用补 贴可造成向冒口的补缩通道， 实现补缩，消除铸件热节下的 缩孔，延长补缩距离，减少冒 口的数量。 3）补贴的种类 根据在铸件上 的位置分为： 水平补贴、 垂直补贴。 按有无特殊措 施分为： 金属补贴、 加热补贴、 发热补贴、 保温补贴。 4）补贴尺寸确定 水平补贴： 最大长度：L=4.7M冒 宽度： B=B冒 靠近冒口端的高度：h1=0.8M冒 远离冒口端的宽度：h2=0.3M冒 I-I断面处的补贴模数： 按冒口颈模数计算 M1=ab/2(a+b-c) L=4.7M冒 h1=0.8M冒 h2=0.3M冒 垂直补贴 按图3-5-15确定。 冒口区末端区 冒口区末端区 冒口区末端区 缩松区 H TTT 壁的高度h / mm 补贴厚度a / mm 壁厚T / mm 如果生产条件与上述试验条件有差别时，需要把图3- 5-13查出的补贴厚度乘一个补偿系数。铸钢件的垂直补 贴的补偿系数见表3-5-3。 表3-5 垂直补贴的补偿系数 补偿补偿 原因补偿补偿 条件补偿补偿 系数 杆件比板件的 冒口补缩补缩 距离 小，需要较较大 的补贴补贴 厚度才 能保证铸证铸 件致 密 杆件断面宽宽厚比： 4:1 3:1 2:1 1.5:1 1.1:1 1.0 1.25 1.5 1.7 2.0 充型方式 和化学成分不 同 底注式，碳钢钢及低合金钢铸钢铸 件 顶顶注式，高合金钢铸钢铸 件 底注式，高合金钢铸钢铸 件 1.25 1.25 1.251.25=1.58 滚圆法 对重要部位的热节用扩大滚圆法。 对次要部位的热节用不扩大滚圆法。 一、铸钢件冒口的设计 n模数法 n三次方程法 n补缩液量法 n比例法 n铸件工艺出品率 1.模数法 （1）模数的概念 M=V/A （cm） 式中，M为模数，V为体积，A为面积。 注意：不管铸件的形状如何，只要它们的模数相等，其 凝固时间就相等或相近。 铸件的模数和凝固时间之间的关系遵守平方根定律： =(M/k)2 k为凝固系数，与铸件金属、铸型的热物理性能、铸件形 状、浇注温度等有关。 对碳钢和低合金钢而言，k=(0.91.26) 10-3m/s1/2。 （2）模数法计算冒口原理 为了实现补缩，冒口与铸件上被补缩部位之间必须存在 补缩通道，同时他还必须满足以下两个条件： 1）冒口凝固时间应大于至少等于铸件（或铸件被补缩 部分）的凝固时间。 即 冒口铸件 (M冒口/k冒口)2 (M铸件/k铸件)2 所以： M冒口=f M铸件 f为冒口的安全系数，f 1。 一般取： f=1.2 碳钢、低合金钢铸件，冒口、冒口颈和铸件的模数关系： 边冒口： M铸件:M冒口颈:M冒口=1:1.1:1.2 内浇道作冒口：M铸件:M冒口颈:M冒口=1:(11.03):1.2 顶冒口： M冒口= (11.2) M铸件 2)冒口必须提供足够的金属液，以补偿铸件和冒口在 凝固完毕前的体收缩和因铸型型壁移动而扩大的容积， 使缩松不致伸入铸件内。 必须满足： (V铸件+V冒口)+V型壁移动V冒口 为金属从浇注完到凝固完毕的体收缩率，具体参 数见表3-5-4、表3-5-5。 为冒口的补缩效率， =(补缩体积/冒口体积) 100%， 各种冒口的补缩效率见表3-5-6。 1.普通铸钢=0 按下表查出 确定铸钢体收缩率 2.合金钢的体收缩率=0+x 0为碳钢的体收缩率，可由图查出。 x=Kiwi 式中，x合金元素对体收缩率的影响； wi合金钢中各元素的含量，wi为w1，w2 Ki各合金元素对体收缩率的修正系数，Ki为K1，K2 Ki可由下表查出 合金元素WNiMnCrSiAl 修正系数-0.53-0.0354+0.0585+0.12+1.03+1.70 铸件材质（%） 中碳钢2.53.0 wc=1%碳钢4.0 灰铸铁1.9膨胀 白口铸铁4.05.5 纯铝6.6 纯铜4.92 表3-5-5 常用合金的收缩率 冒口种类或工艺措施（%） 圆柱或腰圆柱形冒口1213 球形冒口1520 补浇冒口1520 浇口通过冒口3035 发热保温冒口3050 大气压力冒口1520 表3-5-6 冒口的补缩效率 冒口的补缩效率 、对冒口体 积的影响见图3-5-15。 铸件形状系数对冒口补缩效率的影响 铸件形状系数q，又称周界商，定义为铸件体积V铸件与其模 数的立方M3铸件的比值，即： q= V铸件/ M3铸件 q使铸件形状数量化，q值的大小表明了铸件的形状特征 ：形状越接近简单的实心球体，q越小；反之，铸件形状越接 近展开的大平面，q越大。 实心球体的q=113，最小，大平板件的q很大；铸件的q 多在1135000范围内。 铸件形状系数与冒口补缩效率的关系见表35-7。 铸件形状系数与冒口补缩效率的关系 见表35-7。 铸件形状系 数q 1000 冒口的补缩补缩 效率/% 253033354045 （3）铸件模数的计算 任何复杂的铸件，均可以看作是有许多简单的几何体 组合而成。只要掌握一些简单的几何体、组合体的模数计 算公式，就不必用繁琐的公式去计算铸件的体积和表面积 。 矩形长杆的模数： M=ab/2(a+b) 方形长杆的模数： M=a/4 大平面的模数： M=T/2 立方体的模数： M=a/6 空心圆柱体的模数：M=a/2 各种热节点的模数计算方法： 1）测定热节点中心和平板中心的凝固时间。设铸件平 板厚度为T，凝固时间为，热节点中心处凝固时间为j，则 热节点模数：M=Tj /2 各种热节点的模数计算方法： 1）测定热节点中心和平板中心的凝固时间 设铸件平板厚度为T， 凝固时间为， 热节点中心处凝固时间为j， 则热节点模数： 2）热节园当量板（或杆）法 把热节部位看作热节园直径为厚度的板或杆。 板件相交 a.用1:1比例绘出相交节点的图形。 b.板壁相交处圆角半径取壁厚的1/3已足够，即r=a/3或r=b/3; c.考虑砂尖角对凝固时间的影响时，作图时让热节圆的圆周线 通过r的中心，量出热节圆半径R; 热节点模数： 杆件相交 a.用1:1比例绘出相交节点的图形。 b.板壁相交处圆角半径取壁厚的1/3已足够，即r=a/3或r=b/3; c.考虑砂尖角对凝固时间的影响时，作图时让热节圆的圆周线 通过r的中心，量出热节圆半径Dr ; d.将热节处看作厚度为Dr的杆件； 热节点模数： 管与法兰相交 a.用1:1比例绘出相交节点的图形。 b.板壁相交处圆角半径取壁厚的1/3已足够，即r=a/3或r=b/3; c.考虑砂尖角对凝固时间的影响时，作图时让热节圆的圆周线 通过r的中心，量出热节圆半径Dr ; d.将法兰看作厚度为Dr的角形杆， 用扣除非散热面法计算热节模数： 3）用“一倍厚度法”求热节模数。 举例：求缸体模数 缸底：直径400mm，侧面 为非冷面，可视为140mm厚 的板件，