第三节冒口、冷铁设计

1、第三节第三节 冒口、冷铁设计冒口、冷铁设计一、冒口一、冒口 冒口是铸型内设置的一个储存金属液的冒口是铸型内设置的一个储存金属液的空腔。空腔。冒口的概念冒口的概念冒口的冒口的作用作用冒口的分类冒口的分类常见冒口形式常见冒口形式冒口的设计冒口的设计1)对于凝固温度范围宽，不产生集中缩孔的对于凝固温度范围宽，不产生集中缩孔的合金，冒口的作用主要是排气和收集液流前合金，冒口的作用主要是排气和收集液流前沿混有夹杂物或氧化膜的金属液。这种冒口沿混有夹杂物或氧化膜的金属液。这种冒口多置于内浇道的对面，其尺寸也不必太大。多置于内浇道的对面，其尺寸也不必太大。2)对于要求控制显微组织的铸件，冒口可以对于要求控制

2、显微组织的铸件，冒口可以收集液流前沿的过冷金属液，避免铸件上出收集液流前沿的过冷金属液，避免铸件上出现过冷组织。现过冷组织。3)对于凝固期间体积收缩量大，且趋向于形对于凝固期间体积收缩量大，且趋向于形成集中缩孔的合金（如铸钢、锰黄铜和铝青成集中缩孔的合金（如铸钢、锰黄铜和铝青铜等），冒口的主要作用是补偿铸件的液态铜等），冒口的主要作用是补偿铸件的液态收缩和凝固收缩以得到致密的铸件。收缩和凝固收缩以得到致密的铸件。 对铸件进行补缩，防止产生对铸件进行补缩，防止产生缩孔、缩松等缺陷，同时提高缩孔、缩松等缺陷，同时提高排排气、集渣等效果，防止产生气孔、气、集渣等效果，防止产生气孔、夹渣等缺陷。夹渣等

3、缺陷。 冒口的作用冒口的作用冒口冒口顶冒口顶冒口侧冒口侧冒口明冒口明冒口暗冒口暗冒口依所在位置分依所在位置分依覆盖情况分依覆盖情况分压缩空气冒口压缩空气冒口发气压力冒口发气压力冒口大气压力冒口大气压力冒口保温发热冒口保温发热冒口发热冒口发热冒口加氧冒口加氧冒口煤气加热冒口煤气加热冒口电弧加热冒口电弧加热冒口易易 割割 冒冒 口口依加压方式分依加压方式分依加热方式分依加热方式分普通冒口普通冒口特种冒口特种冒口直接实用冒口直接实用冒口控制压力冒口控制压力冒口传统冒口传统冒口铸铁件的实用冒口铸铁件的实用冒口分类分类暗顶冒口暗顶冒口明侧冒口明侧冒口暗侧冒口暗侧冒口易割冒口易割冒口压边冒口压边冒口整体冒

4、口整体冒口发热（保温）冒口发热（保温）冒口大气压力冒口大气压力冒口明顶冒口明顶冒口冒口形式冒口形式 功能不同的冒口，其形式、大小和开功能不同的冒口，其形式、大小和开设位置均不相同。冒口的设计要充分考虑设位置均不相同。冒口的设计要充分考虑铸造合金的性质和铸件的特点。铸造合金的性质和铸件的特点。 根据铸件的特点，冒口一般可分为通根据铸件的特点，冒口一般可分为通用冒口和实用冒口。用冒口和实用冒口。1.通用冒口设计通用冒口设计1 通用冒口的特点通用冒口的特点 适用于所有合金铸件的冒口称为通用冒口。适用于所有合金铸件的冒口称为通用冒口。2 通用冒口的补缩原理通用冒口的补缩原理冒口设计冒口设计冒口凝固时间

5、大于或等于铸件冒口凝固时间大于或等于铸件（被补缩部分）的凝固时间。（被补缩部分）的凝固时间。1)基本条件基本条件有足够的金属液补充铸件的有足够的金属液补充铸件的液态收缩和凝固补缩以及浇注液态收缩和凝固补缩以及浇注后型腔扩大的体积。后型腔扩大的体积。在凝固期间，冒口和被补缩部位之在凝固期间，冒口和被补缩部位之间存在补缩通道，扩张角始终向着冒口。间存在补缩通道，扩张角始终向着冒口。 铸件凝固过程铸件凝固过程中液相线之间形成的向冒口方中液相线之间形成的向冒口方向的扩张角称为补缩通道扩张向的扩张角称为补缩通道扩张角，用角，用 表示。表示。补缩通道：补缩通道： 铸件凝固过程中，铸件凝固过程中，冒口和铸件

6、被补缩部位之间始冒口和铸件被补缩部位之间始终保持着畅通的液态通道，称终保持着畅通的液态通道，称为补缩通道。为补缩通道。补缩通道扩张角：补缩通道扩张角： 2)补缩通道和有效补缩距离补缩通道和有效补缩距离冒口与铸件间的补缩通道冒口与铸件间的补缩通道冒口的有效补缩距离冒口的有效补缩距离中间区中间区末端区末端区冒口作用区冒口作用区冒口有效补缩距离冒口有效补缩距离 冒口的有效补缩距离冒口的有效补缩距离应考虑冒口补缩和铸件末端冷却效应的联合应考虑冒口补缩和铸件末端冷却效应的联合作用。掌握冒口补缩距离，可以合理地规定作用。掌握冒口补缩距离，可以合理地规定大铸件冒口的间距和数量。大铸件冒口的间距和数量。 一般

7、情况下，平行截面的板状、棒状钢一般情况下，平行截面的板状、棒状钢铸件冒口有效补缩距离为其厚度铸件冒口有效补缩距离为其厚度(T)的二倍，的二倍，如有末端效应则为厚度的四点五倍（如有末端效应则为厚度的四点五倍（4.5T）。）。金属补贴金属补贴冒口的有效补缩的保证冒口的有效补缩的保证利用冷铁和工艺补贴。利用冷铁和工艺补贴。加热补贴加热补贴 固相补缩是最后阶段，对铸件外形收缩有固相补缩是最后阶段，对铸件外形收缩有直接影响。直接影响。3)补缩的过程补缩的过程 液态补缩为凝固初期的主要补缩方式。液态补缩为凝固初期的主要补缩方式。 重量补缩是紧跟液态补缩发生的固相在重重量补缩是紧跟液态补缩发生的固相在重力下

8、自动积聚的补缩方式。力下自动积聚的补缩方式。 第三阶段枝晶间补缩，对形成疏松缺陷有第三阶段枝晶间补缩，对形成疏松缺陷有直接影响。直接影响。4)适用条件适用条件 适用于所有合金铸件。但通常用于铸型适用于所有合金铸件。但通常用于铸型刚度差的较厚铸铁件的生产。刚度差的较厚铸铁件的生产。3 通用冒口的设计通用冒口的设计 冒口的设计包括两个内容：一是确定位冒口的设计包括两个内容：一是确定位置和数量，二是确定冒口的尺寸。置和数量，二是确定冒口的尺寸。冒口应设在铸件最高和最后凝固的部位，冒口应设在铸件最高和最后凝固的部位，同时必须采取措施形成向冒口方向的定向凝同时必须采取措施形成向冒口方向的定向凝固。固。1

9、)冒口的位置冒口的位置冒口应就近设在铸件热节的上方或侧旁。冒口应就近设在铸件热节的上方或侧旁。冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位。冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位。冒口应尽量设置在方便冒口应尽量设置在方便和容易清除冒口残根的地和容易清除冒口残根的地方或尽量放在加工面上，方或尽量放在加工面上，减少铸件不必要的加工或减少铸件不必要的加工或修整。修整。对于不同高度上的冒对于不同高度上的冒口，应用冷铁使各个冒口，应用冷铁使各个冒口的补缩距离隔开。口的补缩距离隔开。 冒口应避免放在铸件上应力集中的部位，冒口应避免放在铸件上应力集中的部位，注意减轻对铸件的收缩阻碍，以免由于加大注意减轻对铸件的收缩阻

10、碍，以免由于加大热差造成铸件变形或开裂。热差造成铸件变形或开裂。2)冒口的尺寸冒口的尺寸模数法、比例法、三次方程法、模数法、比例法、三次方程法、补缩液量法补缩液量法模数法的基本原理模数法的基本原理顺序凝固顺序凝固 c n r铸件受补缩部分的凝固时间铸件受补缩部分的凝固时间冒口的凝固时间冒口的凝固时间冒口颈的凝固时间冒口颈的凝固时间2ccKM2nnKM2rrKMcastriser headneck of riser head凝固系数凝固系数模数模数 模数小的铸件，凝固时间短，模数大的模数小的铸件，凝固时间短，模数大的铸件，凝固时间长，模数相同的铸件，凝固铸件，凝固时间长，模数相同的铸件，凝固时间

11、相等或相近。时间相等或相近。凝固模数：铸件的体积和传热面积的比值，凝固模数：铸件的体积和传热面积的比值，简称模数。简称模数。铸件的凝固时间取决于它的模数。铸件的凝固时间取决于它的模数。MVA（cm）对于普通冒口：对于普通冒口：Kc=Kn=Kr对于碳钢铸件：对于碳钢铸件：侧冒口：侧冒口：Mc:Mn:Mr=1:1.1:1.2内浇道通过冒口：内浇道通过冒口：Mc:Mn:Mr=1:（11.03）:1.2顶冒口：顶冒口：Mr=（11.2）McrercVVVV)(考虑到缩孔应完全在冒口内，有：考虑到缩孔应完全在冒口内，有：金属的体收缩率金属的体收缩率冒口的补缩效率冒口的补缩效率型壁移动而扩大的体积型壁移动

12、而扩大的体积冒口设计的基本步骤冒口设计的基本步骤a)计算铸件的模数计算铸件的模数b)求出冒口及冒口颈的模数求出冒口及冒口颈的模数c)确定冒口的形状和尺寸确定冒口的形状和尺寸d)确定冒口的个数确定冒口的个数e)校核冒口的最大补缩能力校核冒口的最大补缩能力计算举例计算举例见教材见教材121页。页。几种常见几何体的模数计算公式几种常见几何体的模数计算公式4 提高通用冒口补缩效率的措施提高通用冒口补缩效率的措施 提高冒口中金属液的补缩压力（采用提高冒口中金属液的补缩压力（采用大气压力冒口）和延长冒口中金属凝固时大气压力冒口）和延长冒口中金属凝固时间（采用保温、发热冒口）间（采用保温、发热冒口）2.实用

13、冒口设计实用冒口设计1)实用冒口设计法实用冒口设计法 让冒口和冒口颈先让冒口和冒口颈先于铸件凝固，利用全部于铸件凝固，利用全部或部分的共晶膨胀量在或部分的共晶膨胀量在铸件内部建立压力，实铸件内部建立压力，实现自补缩，从而克服补现自补缩，从而克服补缩缺陷。缩缺陷。直接实用冒口直接实用冒口 原理：直接实用冒口是利用冒口来补偿原理：直接实用冒口是利用冒口来补偿铸件的液态收缩，而当共晶膨胀开始时，让铸件的液态收缩，而当共晶膨胀开始时，让冒口颈及时凝固，只要铸型的刚性足够，就冒口颈及时凝固，只要铸型的刚性足够，就可利用共晶膨胀弥补可能出现的缩孔、缩松可利用共晶膨胀弥补可能出现的缩孔、缩松缺陷。缺陷。 特

14、点：铸件工艺出品率高，冒口设计灵特点：铸件工艺出品率高，冒口设计灵活，去除冒口的费用少，但要求铸型强度高，活，去除冒口的费用少，但要求铸型强度高，浇注温度范围严格，保证冒口颈冻结时间准浇注温度范围严格，保证冒口颈冻结时间准确，模数不易确定。确，模数不易确定。控制压力冒口控制压力冒口 冒口对铸件的液态收缩进行补偿，并冒口对铸件的液态收缩进行补偿，并且在共晶膨胀初期冒口颈仍然保持畅通，且在共晶膨胀初期冒口颈仍然保持畅通，使铸件内部铁液回填冒口以释放压力。使铸件内部铁液回填冒口以释放压力。（三）基于均衡理论的冒口设计（三）基于均衡理论的冒口设计1.铸铁件的均衡凝固理论铸铁件的均衡凝固理论 均衡凝固就

15、是均衡凝固就是利用收缩和膨胀的利用收缩和膨胀的动态叠加，通过工动态叠加，通过工艺措施使单位时间艺措施使单位时间的收缩与补缩、收的收缩与补缩、收缩与膨胀按比例进缩与膨胀按比例进行的凝固原则行的凝固原则2.均衡凝固的工艺原则均衡凝固的工艺原则1)铸铁件的体收缩率取决于铸铁成分、外铸铁件的体收缩率取决于铸铁成分、外界浇注条件及铸件本身。界浇注条件及铸件本身。2)壁厚越薄的小件，补缩要求越高，壁厚壁厚越薄的小件，补缩要求越高，壁厚越厚的大件，补缩要求越低。越厚的大件，补缩要求越低。3)任何铸铁件都应以自补缩为基础。任何铸铁件都应以自补缩为基础。4)冒口不应放在铸件热节点上。要靠近热冒口不应放在铸件热节

16、点上。要靠近热节以利补缩，又要离开热节，以减少冒口节以利补缩，又要离开热节，以减少冒口对铸件的热干扰。对铸件的热干扰。5)开设浇冒口时，要避免在浇冒口和铸件开设浇冒口时，要避免在浇冒口和铸件接触处形成接触热节。接触处形成接触热节。6)尽量使用耳冒口、飞边冒口等冒口颈短、尽量使用耳冒口、飞边冒口等冒口颈短、薄、宽的形式。薄、宽的形式。7)铸件的厚壁热节应放在浇注位置的下部。铸件的厚壁热节应放在浇注位置的下部。8)可利用冷铁平衡壁厚差，消除热节。可利用冷铁平衡壁厚差，消除热节。9)优先采用顶注工艺。利于尽早发生石墨优先采用顶注工艺。利于尽早发生石墨化膨胀，提高自补缩程度。化膨胀，提高自补缩程度。二

17、、冷铁的设计二、冷铁的设计冷铁：为增加铸件局部冷却速度，在型腔冷铁：为增加铸件局部冷却速度，在型腔内部及工作表面安放的金属块称为冷铁。内部及工作表面安放的金属块称为冷铁。（一）冷铁的种类及作用（一）冷铁的种类及作用1.种类种类冷铁冷铁直接外冷铁直接外冷铁间接外冷铁间接外冷铁内冷铁内冷铁外冷铁外冷铁2.作用作用1)在冒口难以补缩的部位防止缩孔、缩松。在冒口难以补缩的部位防止缩孔、缩松。2)划分冒口的补缩区域，控制和扩大冒口划分冒口的补缩区域，控制和扩大冒口的补缩距离，提高冒口的补缩效率。的补缩距离，提高冒口的补缩效率。3)加速壁厚交叉部分及急剧变化部位的凝加速壁厚交叉部分及急剧变化部位的凝固，避

18、免产生热裂纹。固，避免产生热裂纹。4)改善铸件局部的金相组织和力学性能。改善铸件局部的金相组织和力学性能。（二）冷铁材料的选择（二）冷铁材料的选择冷铁冷铁钢冷铁和铸铁冷铁钢冷铁和铸铁冷铁铝冷铁铝冷铁铜冷铁铜冷铁石墨镁砂等激冷物石墨镁砂等激冷物（三）外冷铁的设计（三）外冷铁的设计1.确定外冷铁形状确定外冷铁形状形状一致原则。形状一致原则。成型冷铁成型冷铁平面冷铁平面冷铁2.确定冷铁尺寸确定冷铁尺寸1)冷铁厚度冷铁厚度T序号序号使用条件使用条件外冷铁的厚度外冷铁的厚度123456灰铸铁件灰铸铁件球墨铸铁件球墨铸铁件铸钢件铸钢件铜合金件铜合金件轻合金件轻合金件 =（0.250.5）T =（0.30.

19、8）T =（0.30.8）T =（1.02.0）T =（0.61.0）T =（0.250.5）T 冷铁置于铸件冷铁置于铸件底部或末端时，厚底部或末端时，厚度可选大些；在铸度可选大些；在铸件局部热节处安放件局部热节处安放的冷铁必须严格控的冷铁必须严格控制其厚度。制其厚度。2)确定冷铁工作表面积确定冷铁工作表面积 激冷效果相当于在原有砂型的散热表面激冷效果相当于在原有砂型的散热表面上净增了两倍冷铁工作表面积上净增了两倍冷铁工作表面积(As=A0+2AC1) 在重力和铸件收缩力作用下同铸件表面在重力和铸件收缩力作用下同铸件表面紧密接触。紧密接触。气隙外冷铁气隙外冷铁 （设在铸件顶部和外侧）（设在铸件

20、顶部和外侧） 激冷效果相当于在原有砂型的散热表面激冷效果相当于在原有砂型的散热表面上净增了一倍的冷铁工作表面积上净增了一倍的冷铁工作表面积(As=A0+AC2)。1010000100)(2MMMMVMVMVAAAsc无气隙外冷铁无气隙外冷铁 （设在铸件底部和内侧）（设在铸件底部和内侧）10100001002)(221MMMMVMVMVAAAsc而而1220001ccsAAAVAVM 当实现同时凝固时，当实现同时凝固时，M1等于热节四周簿等于热节四周簿壁部分的模数；壁部分的模数； 实现顺序凝固时，实现顺序凝固时，M1=（0.830.91）MP，MP是热节旁补缩壁的模数。是热节旁补缩壁的模数。 经验证明，只有满足经验证明，只有满足MP0.67M0的条件的条件下，才能用外冷铁消除热节的影响。下，才能用外冷铁消除热节的影响。3.使用注意事项使用注意事项1)外冷铁尺寸不易过大，长度尺寸不超过外冷铁尺寸不易过大，长度尺寸不超过200mm。2)尽量将外冷铁放在底部和侧面。尽量将外冷铁放在底部和侧面。3)外冷铁表面工作外冷铁表面工作表面应平整光洁，表面应平整光洁，无油污和锈蚀，并无油污和锈蚀，并涂以涂料。涂以涂料。4)冷铁的安放位置必冷铁的安放位置必须充分考虑铸件的结须充分考虑铸件的结构与冒口的配合。构与冒口的配合。思考题思考题1.什么是顺序凝固原则？什么是